Quels sont les dangers du gauchissement des circuits imprimés ?

1. Sur les lignes d’assemblage automatisées de montage en surface, des circuits imprimés irréguliers peuvent entraîner un positionnement imprécis, rendant difficile l’insertion ou le placement des composants dans les trous et les pastilles de montage en surface. Cela peut même endommager la machine d’assemblage automatisée.

2. Après soudure, un circuit imprimé contenant des composants peut se tordre, ce qui rend difficile la coupe régulière des broches. L’installation de la carte dans un châssis d’ordinateur ou sur les supports de la machine peut également s’avérer difficile. Par conséquent, la présence de circuits imprimés gauchis représente un problème majeur pour les usines d’assemblage.

La technologie actuelle de montage en surface évolue vers une technologie de haute précision, à grande vitesse et intelligente. Cela impose des exigences encore plus élevées en matière de planéité des circuits imprimés, qui abritent divers composants.

La norme IPC stipule spécifiquement que la déformation admissible des circuits imprimés avec montage en surface est de 0,75 %, tandis que celle des circuits imprimés sans montage en surface est de 1,5 %.

En effet, pour répondre aux exigences de placement haute précision et haute vitesse, certains fabricants d’assemblages électroniques imposent des exigences encore plus strictes en matière de tolérance de déformation, avec par exemple une déformation admissible de 0,5 %, voire 0,3 % pour certains.

Les circuits imprimés sont composés de matériaux tels que des feuilles de cuivre, de la résine et du tissu de verre. Chaque matériau possède des propriétés physiques et chimiques différentes. Leur compression génère inévitablement une contrainte thermique résiduelle, entraînant une déformation.

De plus, lors de la fabrication des circuits imprimés, divers procédés tels que les températures élevées, la découpe mécanique et le traitement par voie humide peuvent également influencer significativement la déformation de la carte. En résumé, les causes de déformation des circuits imprimés sont complexes et diverses. Réduire, voire éliminer, la déformation due aux variations des propriétés des matériaux ou du traitement est devenue un enjeu complexe pour les fabricants de circuits imprimés.

Analyse des causes de déformation des PCB

La déformation des PCB nécessite une analyse sous plusieurs angles, notamment le matériau, la structure, la distribution des motifs et les étapes de fabrication. Cet article analyse et explique les différentes causes possibles de déformation et les solutions pour les atténuer.

1. Une surface de cuivre irrégulière sur le PCB peut aggraver la courbure et le gauchissement de la carte.

2. Les PCB comportent généralement de grandes zones de feuille de cuivre pour la mise à la terre, et parfois la couche Vcc en comporte également. Lorsque ces zones ne sont pas uniformément réparties sur la carte, une absorption et une dissipation thermiques inégales peuvent se produire.

3. Les PCB se dilatent et se contractent naturellement sous l’effet de la chaleur. Si ces dilatations et contractions ne sont pas synchronisées, elles provoquent des contraintes différentielles et des déformations. Si la température de la carte atteint sa limite supérieure de Tg, la carte commence à se ramollir, provoquant une déformation.

4. Les connexions entre les couches du PCB (vias) limitent la dilatation et la contraction de la carte.

5. La plupart des PCB actuels sont multicouches et les couches sont dotées de connexions de type rivet (vias). Ces connexions sont classées en trous traversants, vias borgnes et vias enterrés. Ces connexions limitent la dilatation et la contraction de la carte, provoquant indirectement sa courbure et son gauchissement.

Causes de déformation des PCB :

1. Le poids du PCB lui-même peut provoquer son affaissement et sa déformation.

En général, les fours de refusion utilisent des chaînes pour propulser le PCB vers l’avant, en utilisant ses côtés comme points d’appui.

Si le PCB est chargé de composants lourds ou trop volumineux, son poids peut provoquer son affaissement en son milieu, provoquant ainsi sa flexion.

2. La profondeur de la découpe en V et les bandes de connexion peuvent influencer la déformation du PCB assemblé.

Les découpes en V sont principalement responsables des dommages à la structure du PCB. Parce qu’ils créent des rainures dans une feuille de PCB plus grande, ils sont sujets à la déformation.

3. Impact des matériaux, de la structure et du motif de laminage sur la déformation des PCB :

Les PCB sont fabriqués en laminant une carte mère, une feuille préimprégnée et une couche extérieure de feuille de cuivre. La carte mère et la feuille de cuivre se déforment sous l’effet de la chaleur lors de la laminage, et l’ampleur de la déformation dépend du coefficient de dilatation thermique (CTE) des deux matériaux.

Le coefficient de dilatation thermique (CTE) d’une feuille de cuivre est d’environ 17 x 10-6. Le CTE dans l’axe Z d’un substrat FR-4 ordinaire en dessous de sa température de fusion (Tg) est de 50 à 70 x 10-6, et au-dessus de sa température de fusion (Tg), il est de 250 à 350 x 10-6. En raison de la présence de tissu de verre, le CTE dans l’axe X est généralement similaire à celui d’une feuille de cuivre.

Comment prévenir le gauchissement des circuits imprimés

Le gauchissement a un impact significatif sur la production de circuits imprimés (PCB) et constitue un problème majeur dans leur fabrication. Les cartes sur lesquelles sont montés des composants peuvent se tordre après soudure, ce qui complique l’alignement des broches. L’installation de la carte dans un châssis d’ordinateur ou sur les supports de l’appareil peut également être difficile. Par conséquent, le gauchissement des circuits imprimés peut affecter le bon fonctionnement de tous les processus ultérieurs.

1. Considérations pour la conception des circuits imprimés :

A. Les feuilles de préimprégné entre les couches doivent être disposées symétriquement. Par exemple, sur une carte à six couches, l’épaisseur et le nombre de feuilles de préimprégné entre les couches 1-2 et 5-6 doivent être constants. Dans le cas contraire, un gauchissement est susceptible de se produire après la stratification.

B. Pour une carte multicouche, le circuit imprimé et le préimprégné doivent provenir du même fournisseur.

C. Les zones de tracé des circuits sur les couches externes, faces A et B, doivent être aussi proches que possible. Si la face A présente une grande surface de cuivre et la face B peu de traces, le circuit imprimé se déformera facilement après la gravure. Si la différence de surface de circuit entre les deux faces est trop importante, des grilles indépendantes peuvent être ajoutées sur la face la plus clairsemée pour compenser.

2. Cuisson de la carte avant découpe :
   La cuisson du stratifié cuivré avant découpe (150 °C pendant 8 ± 2 heures) vise à éliminer l’humidité de la carte et à durcir complètement la résine à l’intérieur, éliminant ainsi toute contrainte résiduelle et contribuant ainsi à prévenir la déformation.

3. Sens de chaîne et de trame du préimprégné :
   Après la stratification, les taux de retrait du préimprégné dans les sens de chaîne et de trame diffèrent. Par conséquent, il est important de distinguer soigneusement les sens de chaîne et de trame lors de la découpe et de l’empilage. Dans le cas contraire, la carte finie risque de se déformer après laminage, ce qui est difficile à corriger, même par cuisson sous pression.

4. Détente des contraintes après laminage :
   Après pressage à chaud et à froid, retirez la carte multicouche, rognez ou fraisez les bavures, puis placez-la à plat dans un four à 150 °C pendant 4 heures pour relâcher progressivement les contraintes et durcir complètement la résine. Cette étape est essentielle.

5. Redressement des cartes minces pendant la galvanoplastie :
   Des rouleaux de serrage spéciaux sont nécessaires pour le placage de surface et le placage des motifs des cartes multicouches ultra-minces (0,4-0,6 mm). Après le serrage des cartes minces sur la barre de serrage de la ligne de galvanoplastie automatisée, une tige ronde relie les rouleaux sur toute la longueur de la barre de serrage, ce qui redresse toutes les cartes sur les rouleaux et empêche toute déformation après la galvanoplastie.

6. Traitement des cartes gauchies :
   Dans les usines bien gérées, la planéité des cartes imprimées est contrôlée à 100 % lors du contrôle final. Les planches non conformes sont retirées et placées dans un four où elles sont cuites à 150 °C sous forte pression pendant 3 à 6 heures, puis refroidies naturellement sous forte pression.

Ensuite, la pression est relâchée et la planche est retirée pour un contrôle de planéité. Cela peut sauver certaines planches, mais certaines peuvent nécessiter deux ou trois cycles de cuisson et de pressage pour les niveler. Si les mesures anti-gauchissement mentionnées ci-dessus ne sont pas appliquées, certaines planches seront inutilisables même après cuisson et pressage et devront être grattées.