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Introduction
La courbure et la torsion sont des problèmes courants de production de circuits imprimés qui peuvent affecter la précision d'assemblage et la fiabilité des produits. Il est important d'en comprendre les causes, les mesures et les moyens de les prévenir afin de produire des cartes de qualité et uniformes. Ce guide vous présente les connaissances essentielles sur la courbure et la torsion des circuits imprimés, notamment les principes de conception et les bonnes pratiques industrielles, pour vous permettre de minimiser les effets de déformation dans vos projets.
Qu'est-ce que l'arc et la torsion dans le PCB ?
Sur les circuits imprimés, des courbures et des torsions se produisent lorsque la carte perd sa planéité, ce qui a un impact sur l'assemblage et les performances. Ces problèmes surviennent en post-production ou en pré-production, liés aux matériaux intrinsèques et extrinsèques. La connaissance de ces causes permet d'éviter le gauchissement du circuit imprimé dès les premières étapes. Le processus de fabrication de PCBTok est très rigoureux pour respecter les spécifications de planéité et de planéité.
Causes intrinsèques de courbure et de torsion lors de la production et de la conception
La courbure et la torsion sont des déviations causées par des défauts et des erreurs de fabrication et de conception de l'objet. Les causes typiques sont une défaillance de la presse de laminage, un croisement inutile du préimprégné et une répartition irrégulière du cuivre. Ces forces génèrent des contraintes dans les couches, ce qui entraîne un gauchissement. Un choix judicieux des matériaux et des empilements symétriques lors de la conception contribuent à minimiser la déformation intrinsèque.
Courbure et torsion extrinsèques : forces externes sur la planéité du circuit imprimé
Après la stratification, des déformations extrinsèques (courbure et torsion) apparaissent sous l'effet de forces extérieures. Ces problèmes sont généralement causés par la manipulation, l'exposition à la chaleur lors du durcissement et les procédés impliquant des traitements chimiques tels que le HASL ou le brasage par refusion . Les problèmes de planéité peuvent être aggravés par une déformation mécanique lors de l'assemblage. L'identification des risques vous permet de prendre les mesures correctives appropriées et d'éviter toute déformation du circuit imprimé à long terme.
Pourquoi la planéité du PCB est-elle importante ?
Les circuits imprimés plats jouent un rôle crucial dès la phase initiale de production, du produit fini. Un léger pli ou une légère torsion peut entraîner un désalignement sur la machine et des défauts de soudure. Lorsque les circuits imprimés se déforment lors du processus d'assemblage à grande vitesse, ils peuvent bloquer les convoyeurs ou entraîner le mauvais positionnement des petites pièces. Il peut alors être impossible d'insérer le circuit imprimé dans son boîtier. En garantissant la planéité de vos circuits imprimés, vous évitez les reprises et les retards coûteux.
Un circuit imprimé mal nivelé impacte chaque étape du processus. L'impression de pâte à braser, dans ce cas, entraîne également des dépôts incorrects de pâte à braser en raison de sa surface irrégulière. En pick-and-place, des composants comme le 0402 peuvent se désaligner. Même des cartes déformées peuvent se coincer dans les systèmes de chargement, interrompant ainsi la ligne de fabrication. Une courbure ou une torsion du produit final peut entraîner des problèmes de serrage des vis ou de fermeture des boîtiers. C'est pourquoi il est important de gérer la planéité dès le plus jeune âge et à intervalles réguliers.
Quelles sont les causes de la courbure et de la torsion du PCB ?
Les contraintes internes, ainsi que les déséquilibres des matériaux et même les forces externes lors de la fabrication et de l'assemblage, provoquent des courbures et des torsions. Les empilements asymétriques et la répartition inégale du cuivre jouent un rôle important. Le risque augmente également avec l'humidité, un échauffement rapide et une mauvaise manipulation. Connaître ces facteurs vous aidera à fabriquer des circuits imprimés plus plats et plus stables.
Manque d'uniformité de la distribution du cuivre : un facteur majeur de déformation des PCB
Lors de leur fabrication, la présence de larges plans de cuivre ou de pistes concentrées peut entraîner une dilatation et une contraction inégales des différents matériaux utilisés dans la fabrication des puces informatiques. Le coefficient de dilatation thermique (CDT) du cuivre et des matériaux diélectriques étant différent, leur dilatation n'est pas uniforme. Ce déséquilibre engendre des contraintes, des déformations et des torsions. Pour éviter ces problèmes, il est essentiel de répartir le cuivre uniformément et, si nécessaire, d'installer des calorifuges afin de maintenir un équilibre thermique.
Empilement de couches et contraintes internes asymétriques
Les contraintes internes des circuits imprimés multicouches sont souvent dues à une structure asymétrique, à des épaisseurs de cuivre différentes, à des matériaux et à des épaisseurs de noyau variables. Par exemple, une déformation se produit lorsqu'une couche de cuivre épaisse est ajoutée à une autre, tandis que les autres sont fines. Une répartition homogène du cuivre réduit considérablement ce risque en équilibrant les épaisseurs de cuivre entre les couches. Le choix des paramètres de pressage et des matériaux est également crucial pour limiter la déformation.
Facteurs liés à l'environnement et à l'assemblage qui conduisent à la déformation des PCB
La courbure et la torsion peuvent être aggravées par des facteurs externes tels que l'absorption d'humidité, une vitesse de refusion élevée, un mauvais alignement du convoyeur d'assemblage, etc. De l'humidité est emprisonnée dans la carte et se dilate au contact de la chaleur, provoquant son gauchissement. Placer les circuits imprimés dans un environnement contrôlé et organiser le processus d'assemblage minimise les risques de déformation.
Directives IPC et prévention de la flexion et de la torsion des PCB
Les circuits imprimés ne sont jamais relativement plats ; il existe donc des normes qui fixent un niveau acceptable. La norme IPC-6012 prévoit une courbure et une torsion maximales de 0.75 % pour les cartes équipées de composants montés en surface et de 1.5 % pour les autres. La réduction du déséquilibre de l'empilement, l'utilisation de matériaux à faible coefficient de dilatation thermique (CTE) et un traitement approprié des cartes lors de la fabrication sont autant de solutions pour réduire le gauchissement. Ces mesures améliorent la stabilité et les performances à long terme.
Mesure de l'arc et de la torsion dans les normes PCB
Les PCB doivent être plats et présenter certaines performances, car la courbure et la torsion sont mesurées par la norme IPC. Ces normes définissent les méthodes de gauchissement et les limites admissibles. Les mesures permettent de détecter une éventuelle déformation dès les premières étapes. Ces pratiques garantissent que vos PCB respectent des limites raisonnables lors de l'assemblage.
Mesure de l'arc
Une courbure est une déformation du circuit imprimé, lui conférant une apparence convexe ou concave sur sa longueur ou sa largeur. Elle est mesurée selon la méthode 2.4.22.1 de la norme IPC-TM-650 à l'aide d'un dispositif simple.
- Un fil/une corde tendue est façonné en diagonale sur la surface du PCB.
- Un indicateur à cadran est utilisé pour quantifier l'écart vertical maximal entre le fil et la surface de la carte.
- Le pourcentage d'arc peut être obtenu comme suit :
% de l'arc = (Distance de l'arc/Longueur de la planche) x 100 %
- bowDist est la valeur limite de la distance entre la carte et le fil de référence. LBoard est la longueur de la carte.
Mesure de torsion
Une torsion se produit lorsque les angles du circuit imprimé ne sont pas sur le même plan, ce qui crée une distorsion rotationnelle. La méthode 650C de la norme IPC-TM-2.4.22 décrit comment mesurer cette condition :
- Deux des coins opposés du PCB sont fixés avec des broches et des élastiques.
- La différence de hauteur entre les deux autres coins est déterminée.
- Le pourcentage de torsion est calculé de cette manière :
% de torsion = (Twist/ 2 x DBoard ) x 100 %
- TwistDist est l'écart maximal du plan de référence.
- Il y a un tableau de lettres, qui est la mesure diagonale du tableau.
Normes IPC pour l'arc et la torsion
La spécification IPC-A-600 définit des limites précises pour la courbure et la torsion afin d'obtenir un circuit imprimé de qualité. Ces restrictions varient selon l'épaisseur de la carte :
- Dans le cas de PCB < = 1.6 mm d'épaisseur :
Arc: 0.75 % <=
Torsion:
- Pour les circuits imprimés de 1.6 à 3.2 mm d'épaisseur :
Arc: ≤0.5%
Torsion: ≤0.75%
- Dans les PCB d'une épaisseur de 3.2 mm ou plus :
Arc: 0.5 pour cent ou moins
Torsion: 0.75 % ou moins
- L'avancée en flexion et en torsion ne doit pas dépasser 2 % de la dimension diagonale de la planche.
- Les tolérances sur les circuits imprimés utilisant des raidisseurs ou des noyaux métalliques sont plus strictes.
Procédures d'essai d'arc et de torsion
Les tests de courbure et de torsion effectués en production permettent de déterminer si le défaut est intrinsèque ou extrinsèque. Ce processus garantit une analyse approfondie des causes et élimine les problèmes liés à la planéité lors de l'assemblage. Pour la mesure et la vérification du gauchissement, le respect des normes IPC est indispensable.
Recommandation de procédure pour les essais d'arc et de torsion
Un calcul en pourcentage de l'arc et de la torsion doit être effectué afin d'identifier la source comme suit :
Mesurez l'arc et la torsion sur les planches entrantes lorsque la méthode IPC-TM-650 2.4.22 est utilisée.
Les panneaux doivent être cuits à 10 °C au-dessus de la Tg du matériau et à plat, empilés les uns à côté des autres, et aucune pression ni aucun contact ne doit être exercé entre les panneaux.
Il faut laisser les planches refroidir progressivement à température ambiante (à raison de 1°C par minute) avec la porte du four fermée.
Angle de rembobinage et torsion des plastiques avec la méthode IPC-TM-650 2.4.22 une fois refroidi.
Analysez les résultats :
- Lorsque des planches complètement plates sont utilisées, la cause est entièrement externe.
- Dans le cas où les cartes sont déformées, la raison ne peut être qu'interne.
- Si une amélioration est observée, le problème est à la fois intrinsèque et extrinsèque.
- Ces tests aident les clients et les fabricants à identifier les sources de déformation et à administrer des mesures correctives à cet effet.
Améliorations de l'arc et de la torsion
La solution au problème de courbure et de torsion réside dans l'étude des causes internes et dans le développement des aspects de conception et de production. Il est essentiel de maîtriser parfaitement toutes les étapes de fabrication. Des réalignements stratégiques peuvent être appliqués pour obtenir une planéité et des performances supérieures au-delà des tolérances spécifiées.
Processus de stratification
La production de lamination est facilement optimisable en termes de coûts et de tolérances. Pour améliorer la résistance au cintrage et à la torsion, il est possible d'augmenter les temps de cycle de pressage afin d'obtenir une meilleure adhérence des matériaux et de réduire les contraintes. L'optimisation des paramètres de lamination minimise les risques de déformation des cartes multicouches complexes.
Préimprégné et noyaux internes
La stabilité nécessite le choix de préimprégnés résistants et de structures de noyau symétriques. Un empilement parfaitement équilibré réduit les contraintes internes dues aux cycles thermiques. Bien que cela puisse avoir un impact sur l'impédance, un nouveau calcul des valeurs garantit que la conception répond aux exigences de performance et de planéité.
Distribution du cuivre
La répartition du cuivre sur chaque couche a été optimisée afin d'éviter un déséquilibre de dilatation thermique. L'appariement des couches au centre de l'empilement facilite l'équilibrage des quantités de cuivre sur chaque couche, contribuant ainsi à la symétrie. Il est préférable d'éviter les zones importantes présentant une quantité de cuivre minimale, voire nulle, car elles risquent de provoquer une déformation lors du chauffage.
Zones de basse pression
Les circuits imprimés comportant un grand nombre de couches peuvent subir une zone de basse pression lors du laminage, ce qui peut entraîner un gauchissement. Ce phénomène peut être minimisé grâce à des pastilles factices, un remplissage en cuivre ou du cuivre quadrillé. Ces modifications améliorent l'uniformité de la pression et la planéité.
Plans de masse divisés
Les zones de séparation des plans de masse peuvent servir de ligne de charnière dans les constructions, favorisant ainsi la flexion. L'utilisation répétée de motifs de plans de séparation sur plusieurs couches accroît le risque de torsion. L'introduction de plans de masse continus, lorsque cela est possible, réduit ce problème.
Zones de rupture
Les languettes de rupture constituent un autre facteur passif de courbure et de torsion, souvent négligé. Le cuivre présent dans ces zones reflète les motifs de cuivre du circuit imprimé sur chaque couche. La dépanélisation évite la concentration des contraintes aux points de rupture.
Mesures prises pour éviter la courbure et la torsion
La courbure et la torsion des circuits imprimés peuvent être évitées grâce à une conception judicieuse, un choix rigoureux des matériaux et des procédés de fabrication contrôlés . Ce type de problème est particulièrement fréquent sur les cartes multicouches ; une approche proactive est donc essentielle pour garantir leur planéité et leur fiabilité.
Manutention et empilage équilibré
Un empilement symétrique de couches de cuivre, de préimprégnés et de noyaux minimise les contraintes internes. L'utilisation de matériaux différents est déconseillée par divers fournisseurs afin d'assurer un comportement thermique homogène lors du chauffage de la carte. Cette disposition des couches réduit également le risque de gauchissement grâce à une orientation correcte de la chaîne et de la trame.
Poids et composition des couches de cuivre
Un déséquilibre de poids sur le cuivre entraîne une dilatation irrégulière, provoquant courbure et torsion. Les concepteurs doivent veiller à une répartition uniforme du cuivre et du remplissage dans les zones de faible densité. La symétrie des couches solides et des couches de signal entourant le centre du circuit imprimé doit également être assurée afin de réduire les contraintes mécaniques.
Atténuation des effets de courbure et de torsion lors de l'assemblage
Bien que la planéité des panneaux de circuits imprimés soit souhaitable, des déformations et des courbures sont parfois inévitables. Ces défauts peuvent être pris en compte lors de l'assemblage afin d'en atténuer les effets et de garantir la fiabilité de la carte, comme suit :
Sécurisation robuste des composants
Des fixations ou des connecteurs, tels que des adhésifs, sont utilisés pour fixer solidement des composants tels que des dissipateurs thermiques. Cela permet d'éviter toute contrainte supplémentaire et de limiter la déformation du circuit imprimé.
Raidissement du panneau
Au dos du circuit imprimé, des raidisseurs de liaison, tels que des bandes métalliques ou des grilles en plastique, sont fixés. Ils offrent un renforcement et un soutien supplémentaires lors de l'assemblage, garantissant ainsi une planéité optimale.
Recuit de relaxation des contraintes
Ils chauffent les panneaux à pleine charge à plus de 100 °C et les refroidissent, au fil du temps, dans des conditions contrôlées. Cette action libère les contraintes inhérentes et réduit les déformations.
Revêtement conforme sélectif
Appliquez un revêtement conforme aux zones du circuit imprimé soumises à des contraintes. Cela renforce la carte et empêche toute torsion ou flexion supplémentaire lors de son utilisation.
Couche de mousse de couverture
Une feuille de mousse doit être appliquée à l'arrière du PCB pour absorber les contraintes mécaniques et la distorsion du PCB lors de la manipulation et de l'assemblage.
Serrage pendant le soudage
Lors du soudage par refusion, utilisez des fixations ou des plateaux lestés. Cela permet d'aplatir la carte et de réduire les mouvements dus à la dilatation thermique.
Assemblage en panneaux
Conservez les PCB dans leur état en panneaux jusqu'à la fin de l'assemblage pour réduire l'introduction de contraintes résultant de la dépanélisation.
Conclusion
La tolérance de courbure et de torsion des circuits imprimés est essentielle pour garantir leur fiabilité. Il est possible de réaliser un circuit imprimé fiable pour une seule couche avec des composants espacés, mais obtenir la même fiabilité est plus complexe pour les circuits imprimés multicouches ou haute densité . En combinant une conception appropriée, le choix judicieux des matériaux et une fabrication maîtrisée, il est possible de réduire considérablement les risques de déformation.
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FAQ
Comment puis-je mesurer pour vérifier si ma planche dépasse les critères de courbure et de torsion de l'IPC ?
La section 650 de l'IPC-TM-2.4.22 fournit une procédure précise pour mesurer la courbure et la torsion. Sur les circuits imprimés utilisant des composants montés en surface, la déformation ne doit pas dépasser 0.75 %. Sur les autres types de cartes, veillez à ce qu'elle reste inférieure ou égale à 1.5 %.
Comment les circuits imprimés très fins et flexibles sont-ils testés pour la courbure et la torsion ?
Les plaques minces sont testées en les plaçant entre des pièces métalliques. Cela confère au circuit imprimé une rigidité temporaire suffisante pour permettre la mesure de la courbure et de la torsion sans distorsion.
Le processus de masquage de soudure influence-t-il l'arc et la torsion ?
Oui. Des déformations en arc et en torsion peuvent être créées ou augmentées par une mauvaise adhérence du masque de soudure ou par une épaisseur de masque inégale sur les différents côtés des panneaux.
Le processus de soudage peut-il induire ou aggraver le gauchissement de la carte ?
Oui. La soudure peut générer des contraintes thermiques inégales lorsque les composants sont placés sur une seule face du circuit imprimé. C'est là qu'il y a une polarisation et, dans la plupart des cas, le panneau peut se courber ou se tordre lors de la soudure par refusion ou à la vague.
L'absorption d'humidité est-elle un facteur dans la courbure et la torsion des PCB ?
Absolument. Les contraintes résultant de l'hydratation accrue des couches diélectriques due à l'humidité sont générées plus rapidement que celles du cuivre, provoquant des courbures ou des torsions.
Comment réduire la courbure et la torsion dans les circuits imprimés HDI multicouches ?
Préimprégnés minces et empilement symétrique de couches. Des remplissages métalliques factices sont ajoutés pour stabiliser les densités de cuivre et des raidisseurs sélectifs sont incorporés comme support renforcé supplémentaire.
