Houd grip op de buiging en draaiing van je PCB’s

IPC-TM-650 geeft handvatten voor het meten van de buiging en draaiing van panelen en PCB’s. De maximaal aanvaardbare mate van buigen (‘bow’) en draaien (‘twist’) is in een ander document van de IPC, de prestatiespecificatie IPC-6012, gedefinieerd. Het is belangrijk om de vinger aan de pols te houden wat betreft deze vervormingen, omdat ze de productie, assemblage en toepassing van PCB’s kunnen bemoeilijken, in het ergste geval zelfs onmogelijk maken. Dit artikel laat zien hoe je buiging en draaiing kan meten, en geeft tips voor het zo klein mogelijk houden van deze PCB-vervormingen.

Dit is het achtste deel van een serie artikelen over PCB-ontwerp en productie. Bekijk hier deel 1, deel 2, deel 3, deel 4, deel 5, deel 6 en deel 7.

Auteur: Saar Drimer, editor bij Eurocircuits

De technische handleiding IPC-TM-650 definieert de buiging (‘bow’) van een paneel of printplaat als de afwijking van de cilindrische of sferische kromming van een plaat ten opzichte van de vier hoeken van diezelfde plaat, die in hetzelfde vlak liggen. Bij draaiing (‘twist’) gaat het om de vervorming die parallel loopt aan een diagonaal over het oppervlak, zodanig dat een van de hoeken van de plaat niet in het vlak ligt waarin de andere drie hoeken liggen. Deze definities zijn van toepassing op panelen of individuele printplaten, die we in dit artikel voor het gemak beiden aanduiden met PCB.

De IPC geeft in de prestatiespecificatie IPC-6012 criteria voor een nog aanvaardbare vervorming. Die afwijking is voor zowel de buiging als draaiing maximaal 0,75% voor PCB’s met SMD-componenten en 1,5% voor alle andere printplaten. Metingen van die vervorming moeten plaatsvinden nadat alle productie- en assemblagestappen zijn voltooid. Voor meer ingewikkelde gevallen, zoals printplaten met afwijkende vormen, kunnen volgens het IPC de gebruiker en leverancier het beste onderlinge afspraken maken: AABUS (‘as agreed between user and supplier’).

Hoe vlakker, hoe beter

Afwijkingen van de vlakheid van PCB’s kunnen in allerlei stadia van de levenscyclus van een PCB een negatieve impact hebben. Dat begint reeds bij productie waar de kleinste afwijkingen al kunnen zorgen voor een verkeerde uitlijning bij het plaatsen op de machines.

Tijdens de assemblage van componenten is de vlakheid van de printplaat belangrijk voor het nauwkeurig doseren van de soldeerpasta, het geautomatiseerde PCB-transport op de productieapparatuur en bij het plaatsen van de componenten. Met een 0402 in gedachte is het gemakkelijk voor te stellen dat de kleinste buiging of draaiing van de PCB al voor problemen kan zorgen. Maar ook kan het voorkomen dat de printplaat vast komt te zitten in een transportband of lader/ontlader en zo de productielijn blokkeert.

Bij toepassing van de printplaat in een (sub)systeem kan die door buigingen en draaiingen minder goed of helemaal niet in een behuizing passen. Of het lukt niet of niet goed om hem te bevestigen met bijvoorbeeld schroeven.

Meten van de buiging

IPC-TM-650 geeft de volgende procedure voor het meten van de buiging van een PCB. Dat begint met het berekenen van de maximaal toegestane afwijking voor de lengte en breedte van de betreffende printplaat, volgens:

RL = L x B / 100

RW = W x B / 100

Hierbij zijn RL en RW de maximale buigafstanden voor lengte (L) respectievelijk de breedte (W) van de printplaat. B is het maximaal toegestane buigpercentage is. Bij een printplaat van 200 x 300 mm (L x W) met SMD-componenten (B = 0,75%) levert dat:

RL = 200 x 0,75 / 100 = 1,5 mm

RW = 300 x 0,75 / 100 = 2,25 mm

In dat geval moet de maximale afstand van het hoogste punt van de buiging tot het referentievlak van de printplaat minder zijn dan 1,5 of 2,25 mm langs respectievelijk de lengte- en breedtekanten.

Je kunt ook vanuit de gemeten waarde bepalen of je onder het maximaal toegestane buigpercentage blijft. Stel je hebt maximaal 1,4 mm gemeten in de lengterichting, dan kom je uit op het volgende percentage:

(RL-gemeten / L) * 100 = (1,4 / 200) * 100 = 0,7%.

Meten van de draaiing

Het meten van de maximale draaiing is op dezelfde leest geschoeid, maar in dit geval gebruiken we de diagonale lengte:

R = 2 * D * T / 100

Hierbij is D de diagonaal van de printplaat is en T het maximaal toegestane draaiingspercentage. De factor 2 verdubbelt de toelaatbare afstand omdat we een van de hoeken op het basisvlak drukken, zodat de andere twee keer zo hoog wordt.

Invullen van dezelfde PCB-gegevens als bij de berekening van de buiging levert voor de draaiing:

R = 2 * √(2002 + 3002) * 0,75 / 100 = 5,4 mm

Berekenen van het percentage vanuit een meting gaat als volgt:

Tgemeten = Rgemeten * 100 / 2 / D

Bij een gemeten afwijking van 4 mm levert dit:

Tgemeten = 4 * 100 / 2 / √(2002 + 3002) = 0,55%

Voor het nauwkeurige meten van de draaiing moeten drie van de vier hoeken van de printplaat het referentievlak raken, waarbij er slechts één fysiek ingedrukt moet worden. Als dit niet mogelijk is, kan je in de IPC-TM-650 een complexere methode vinden, de ‘referee methode’.

Minimaliseren van vervorming

Een onbalans of asymmetrie van de materialen kan door het opwarmen en/of afkoelen van de stack, tijdens bijvoorbeeld persen, etsen, metalliseren en aanbrengen van soldeermasker leiden tot vervormingen. Die onbalans kan ontstaan als het koper niet regelmatig is verdeeld over de printplaat. Of als de PCB-lagen in aantal en dikte niet symmetrisch zijn verdeeld. In beide gevallen krimpen en zetten materialen met verschillende snelheden uit, waardoor vervormingen zoals buigingen en draaiingen ontstaan.

Om deze problemen te voorkomen, moet het koper zo gelijkmatig mogelijk over alle lagen worden verdeeld. Bij twijfel kan je altijd je printplaatfabrikant vragen of de verdeling goed is voor een robuuste productie. En, tenzij het cruciaal is voor de toepassing, is een symmetrische stapeling van lagen altijd wenselijk, zowel in aantal als in dikte. Dit geldt uiteraard niet voor enkelzijdige printplaten.

De kwaliteit van de materialen en het proces bij de fabrikant zijn cruciaal voor het minimaliseren van vervormingen. Zo is het zaak materialen toe te passen die geschikt zijn voor het fabricageproces en voor elke job materialen uit één bron te gebruiken. Toepassing van horizontale ovens en het laten afkoelen van de platen op een horizontaal oppervlak helpt ook om vervormingen te minimaliseren. Ook moeten fabrikanten in staat zijn om wanneer dat nodig is printplaten op een correcte wijze recht te maken, door ze, geplaatst onder een gewicht, langzaam te verwarmen en af te koelen. Tijdens assemblage moeten de printplaten droog zijn en is het wenselijk om door gebruik van geschikte soldeerprofielen thermische schokken te vermijden.

‘Bow’ en ‘twist’ bij Eurocircuits

Voor het meten van buigingen en draaiingen volgen we bij Eurocircuits de hierboven beschreven methoden en houden we ons aan de toleranties zoals die zijn gedefinieerd in IPC-TM-650.

Alle buildups die Eurocircuits aanbiedt, zijn in alle aspecten symmetrisch ten opzichte van het horizontale midden (met uitzondering van de inherent asymmetrische één laags PCB’s). De plating simulator tool die beschikbaar is in PCB Visualizer toont de verdeling van het koper over de PCB. Met deze informatie kan de ontwerper de koperdistributie in evenwicht brengen, wat kan helpen om potentiële buiging en draaiing te verminderen. Tot slot hebben we onze productieprocessen en -procedures ontwikkeld om buigingen en draaiingen zo veel mogelijk te beperken.