Courbure et torsion des circuits imprimés : causes, mesures et prévention

Introduction

La courbure et la torsion sont des problèmes courants de production de circuits imprimés (PCB) qui peuvent affecter la précision d'assemblage et la fiabilité des produits. Il est important de comprendre leurs causes, leurs mesures et leur prévention pour produire des cartes de qualité et homogènes. Ce guide vous présente les points essentiels à connaître sur la courbure et la torsion des PCB, notamment en termes de conception et de recommandations industrielles pour une conception optimale. Déformation des PCB effets dans vos propres 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 laminage, des courbures et des torsions extrinsèques apparaissent sous l'effet de forces externes. Ces problèmes sont généralement causés par la manipulation, l'exposition à la chaleur pendant le durcissement et les procédures impliquant des traitements chimiques tels que le HASL or brasage par refusionLes problèmes de planéité peuvent être aggravés par la déformation mécanique lors de l'assemblage. Identifier les risques vous aidera à prendre les mesures correctives appropriées et à éviter la 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

De grands plans de cuivre ou des traces concentrées lors de leur fabrication peuvent provoquer une dilatation et une contraction inégales de divers matériaux utilisés dans la fabrication des puces informatiques. coefficient de dilatation thermique (CTE) Les valeurs du cuivre et des matériaux diélectriques diffèrent et, par conséquent, leur dilatation est différente. Cela crée un déséquilibre, source de contraintes, de flexion et de torsion. Pour éviter ce problème, il est important de répartir le cuivre uniformément et, si nécessaire, d'installer un système de vol de cuivre pour maintenir l'équilibre thermique.

Empilement de couches et contraintes internes asymétriques

Causes courantes de stress interne au sein PCB multicouches Il s'agit d'un empilement asymétrique, avec des poids de cuivre, des épaisseurs de noyau et des matériaux différents. À l'aide d'une illustration, un gauchissement se produit lorsqu'une couche de cuivre épaisse est ajoutée à une couche, alors que les autres sont minces. La répartition du cuivre réduit considérablement ce risque en équilibrant les épaisseurs de cuivre entre les couches. Des paramètres de pressage et de matériau appropriés sont également essentiels pour réduire 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 courbure dans laquelle le circuit imprimé présente une forme convexe ou concave sur toute sa longueur ou sa largeur. Elle est mesurée selon IPC-TM-650 Méthode 2.4.22.1 : elle est mesurée avec un montage 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 :

Arc % = (Dist. archet/LBoard) 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 :

Torsion % = ( TwistDist/ 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 essais de courbure et de torsion effectués en production permettent de déterminer si le gauchissement est intrinsèque ou extrinsèque. Ce processus garantit une analyse précise des causes profondes 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 vous permet de le mesurer et de le vérifier.

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 laminage est facilement optimisée en termes de coûts et de tolérances. Afin d'améliorer la courbure et la torsion, il est possible d'augmenter les temps de cycle de pressage pour une meilleure adhérence du matériau et une réduction des contraintes. L'optimisation des paramètres de laminage minimise le risque de gauchissement des panneaux 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 tout déséquilibre de dilatation thermique. La superposition des couches au centre de l'empilement facilite l'équilibrage des poids de cuivre sur chaque couche et contribue ainsi à la symétrie. Il est préférable d'éviter les grandes portions contenant peu ou pas de cuivre, car elles risquent de se déformer lors de la chauffe.

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 divisées des plans de masse peuvent servir de charnière dans les constructions, ce qui favorise la flexion. L'utilisation de motifs répétés de plans de masse divisés sur plusieurs couches augmente 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 sélection rigoureuse de la conception, une sélection rigoureuse des matériaux et un contrôle Procédés de fabrication de PCBCe type de problème est particulièrement répandu dans les cartes multicouches, et la proactivité est très importante pour garantir la planéité et la 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 entraînera également une dilatation inégale, provoquant des courbures et des torsions. Les concepteurs doivent répartir uniformément le cuivre et le remplissage de cuivre dans les zones à faible densité. La symétrie du plan solide et des couches de signal entourant le centre du circuit imprimé doit également être assurée afin de réduire les contraintes élémentaires.

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 des circuits imprimés à contrôle de courbure et de torsion est essentielle pour garantir des performances fiables. Un circuit imprimé monocouche et espacé est fiable, mais il est plus difficile d'obtenir la même réaction avec un circuit imprimé multicouche. haute densitéEn combinant une conception appropriée, le choix du matériau et la fabrication de processus d'assemblage contrôlés, vous pouvez minimiser considérablement les risques de déformation.

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Questions Fréquentes Posées

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.