El pandeo de las tarjetas de circuito impreso ya ensambladas (PCBA, por sus siglas en inglés) es un problema común en la fabricación de productos electrónicos que involucra la deformación de la placa durante el proceso en el horno de reflujo. Este fenómeno puede afectar tanto la funcionalidad del producto como la calidad de las soldaduras, lo que puede derivar en fallos durante el funcionamiento o su completa condición de No OK. Para comprender las causas detrás de este problema, es necesario analizar diversos factores relacionados con el diseño, los materiales y los procesos de ensamblaje.
Factores que contribuyen al pandeo de las PCBA's
El pandeo generalmente ocurre cuando la placa de circuito impreso (PCB) experimenta una deformación durante el proceso de ensamblaje. La razón detrás de este modo de falla, es que la placa por diversos motivos presenta diferentes temperaturas o presiones en lugar de estar uniforme, esto ocasiona que las fuerzas de cohesion sean diferentes en la placa. Esta diferencia en fuerzas si es alta ocasiona una deformación. Durante el enfriamiento este delta puede también ocurrir.
Al ser multicapa la PCB ademas de las bonding forces, la interfaz cobre resina puede también ocasionar problemas de deltas o acumulación de humedad, inclusive solo en la capa de cobre.
Esta deformación puede ser hacia arriba (cuando se curva hacia el centro) o hacia abajo, y se presenta como una curvatura de la placa. Aunque los procesos y materiales utilizados en el ensamblaje de PCBs se mantienen constantes, el pandeo puede ser causado por variaciones en alguno de los siguientes factores:
- Desequilibrio de Cobre: Uno de los factores más comunes que causa el pandeo de las PCBA’s es un desequilibrio en la distribución del cobre en las capas superior e inferior de la placa. Si el diseño no distribuye el cobre de manera uniforme, la expansión térmica durante el proceso de soldadura será diferente en cada capa, lo que puede resultar en una deformación de la placa. El uso de un proveedor de PCB que no controle correctamente el equilibrio del cobre puede agravar este problema (O que use diferentes métodos para tu PCB de NPI y la de Producción).
- Absorción de Humedad: Las PCBs son materiales higroscópicos, lo que significa que pueden absorber humedad del ambiente. Cuando estas placas húmedas se someten a altas temperaturas durante el proceso de reflow (Horno de Reflujo), pueden expandirse de manera no uniforme, lo que genera deformaciones. Este problema es particularmente común cuando las placas no se almacenan adecuadamente o cuando hay condiciones que cambiaron humedad y temperatura en el entorno.
- Cambios en los Materiales de la PCB: Los materiales utilizados en la fabricación de la PCB, como las resinas y el cobre, pueden variar entre lotes o proveedores. Si un proveedor cambia sus materiales sin notificarlo, el comportamiento térmico de la PCB podría alterarse, lo que puede provocar pandeo. Además, los cambios en el grosor del cobre o la resina utilizada también pueden afectar la capacidad de la PCB para resistir las tensiones térmicas durante el proceso de soldadura.
- Configuración del Horno de Reflujo: El horno de reflujo es un componente crucial para el ensamble de PCBs. Si el horno no mantiene una temperatura uniforme o no está calibrado correctamente, pueden producirse diferencias térmicas que causen el pandeo de la placa. Los hornos de reflujode tres zonas, aunque comúnmente utilizados, tienen una capacidad limitada para controlar el perfil térmico, especialmente cuando se ensamblan componentes grandes o complejos como los paquetes BGA (Ball Grid Array) con disipadores de calor.
- Diseño y Panelización de la PCB: El diseño de la PCB, incluida la elección de la panelización (cómo se cortan las placas), también influye en su propensión al pandeo. Si se utiliza un método inadecuado de panelización o la orientación de la placa durante el proceso de reflow es incorrecta, las tensiones térmicas pueden no distribuirse uniformemente, lo que favorece la curvatura. Las PCBs más grandes deben orientarse adecuadamente en el horno para evitar que las diferencias de temperatura entre el borde y el centro de la placa causen deformaciones. (Te recomendamos consideres V-Scoring)
- Condiciones Ambientales: Factores como la humedad y la temperatura de la fábrica también influyen en el pandeo. La humedad en el ambiente puede hacer que las PCBs absorban agua, lo que aumenta el riesgo de deformación durante el proceso de reflow. Además, las condiciones estacionales, como el cambio de temperatura entre el invierno y el verano, pueden afectar la forma en que las placas responden a la temperatura durante el ensamblaje.
Comentarios de expertos sobre el pandeo de las PCBA's
Los expertos coinciden en que no se debe culpar únicamente a un horno de reflow de baja calidad o de tres zonas. Existen muchos otros factores, como los materiales utilizados y las condiciones del proceso, que pueden influir en la deformación de las PCBs. A continuación, se presentan algunas recomendaciones clave:
- Verificación de las especificaciones del material: Es fundamental verificar que las especificaciones de la PCB, como el valor de Tg (temperatura de transición vítrea), sean adecuadas para el proceso de reflow. Si el valor de Tg es insuficiente, la placa puede no ser capaz de soportar las altas temperaturas del proceso, lo que aumenta el riesgo de deformación.
- Uso de refuerzos mecánicos: Para evitar el pandeo, algunas empresas recurren a refuerzos mecánicos en el diseño de la PCB, como estabilizadores o refuerzos adicionales que ayudan a mantener la forma de la placa durante el ensamblaje. Estos refuerzos deben ser parte del diseño de la PCB para ser efectivos.
- Revisión de los perfiles de reflujo: Es importante confirmar que el perfil de reflow utilizado no haya cambiado con el tiempo. La temperatura y la velocidad del horno deben mantenerse constantes para garantizar un ensamblaje adecuado. Los expertos recomiendan realizar pruebas de validación utilizando termopares y perfiles de prueba para asegurarse de que el proceso sigue siendo el mismo que cuando se configuró inicialmente.
- Prueba de materiales de la PCB: Los materiales de la PCB deben someterse a pruebas rigurosas antes de iniciar la producción. Esto puede implicar verificar la humedad de las placas o comprobar que el proveedor no haya cambiado los materiales sin informar. Además, las placas deben almacenarse correctamente para evitar la absorción de humedad.
Conclusión
El pandeo de las PCBA’s es un problema complejo que involucra diversos factores, desde el diseño y los materiales hasta el proceso de ensamblaje y las condiciones ambientales. Si bien el horno de reflujo y el control térmico son fundamentales, también es importante considerar el impacto de la humedad, el diseño de la PCB y los cambios en los materiales. Abordar estos factores de manera sistemática ayudará a reducir el riesgo de pandeo y a mejorar la calidad y la fiabilidad de los productos electrónicos.
Para más información sobre la prevención del pandeo de las PCBA's, es recomendable adoptar un enfoque preventivo que incluya el monitoreo constante de los procesos y la validación de los materiales y equipos utilizados.
Si deseas profundizar más en el tema del pandeo de las PCBA's, aquí te dejamos algunas referencias útiles:
- Hi Electronic - Una fuente que ofrece información detallada sobre las causas comunes de fallos en las PCBA's, incluidos los problemas de pandeo relacionados con el desequilibrio de cobre y la humedad. Puedes consultar más sobre estos temas aquí.
- Circuit Insight - Puedes revisar el articulo sobre Warp de Board y otros artículos de interés aqui.
- Compufab Inc. - Esta empresa ha estado resolviendo problemas de pandeo en PCBs durante más de 40 años. En su sitio web encontrarás soluciones mecánicas para evitar la deformación de las placas aquí.
- MicroCare Corporation - Ofrecen productos especializados para limpiar hornos de reflujo y mejorar el rendimiento térmico, lo que puede ayudar a prevenir el pandeo. Más detalles en su sitio web aquí.
Estas fuentes proporcionan información adicional y recomendaciones para solucionar problemas relacionados con el pandeo de las PCBA's, ayudando a mantener la calidad y fiabilidad de tus ensambles.