Tenké desky plošných spojů – Výzvy a rizika BGA pouzder

Víte, jaký vliv má tloušťka desky plošných spojů na spolehlivost a životnost elektroniky? Možná víc, než si myslíte. V tomto článku se dozvíte nejčastější výzvy a rizika spojené s návrhem a výrobou tenkých desek plošných spojů, zejména při použití součástek s BGA pouzdrem. Dále se dozvíte, proč mechanická křehkost, odvod tepla nebo nesprávný pájecí profil mohou znamenat zásadní problém a jak těmto komplikacím předcházet už ve fázi návrhu. V poslední kapitole se také dozvíte tipy na metody testování a opravy poškozených BGA pouzder.

Tloušťku desky plošných spojů ovlivňuje několik faktorů. Jeden z faktorů může být například použití konektoru typu USB C s konektorem PCB. Tloušťka tohoto typu konektoru totiž výrazně omezí celkovou tloušťku desky plošných spojů jako takové. Momentálně je standartní tloušťka desky plošných spojů 1,57 mm (0,063").

Obrázek 1 - Straddle-mount connector - konektor PCB

V dobách elektroniky založené na tranzistorech se komponenty osazovaly na dřevěné desky metodou breadboarding. Tato elektronika byla však velmi náchylná na poškození, neboť je dřevo velmi křehké. Po vynalezení klasických desek plošných spojů se začal používat substrát z bakelitových desek. Tyto bakelitové desky se již v té době používaly na pracovní stoly a jejich tloušťka činila 1,5875 mm (1/16 palce). Tato tloušťkou zůstala zachována i pro desky plošných spojů.

Konkrétním příkladem konektoru ovlivňující tloušťku desky plošných spojů může být USB 3.1 od společnosti Würth Elektronik s číslem 632712000011. Výrobce uvádí, že doporučená optimální tloušťka desky plošných spojů pro osazení tímto konektorem je 0,8 mm/0,031". Tloušťka desky 0,8 mm je mezi výrobci desek plošných spojů zcela běžná a poměrně snadná na výrobu.

V případě tenkých desek plošných spojů je však nutné brát v úvahu několik výzev a rizik, které se mohou vyskytnout během návrhu nebo výroby.

Výzvy a rizika jsou následující:

• Mechanická křehkost – Tenké desky plošných spojů jsou zpravidla pružnější, náchylnější na ohyb nebo kroucení. Mechanická křehkost tedy ve výsledku zvyšuje riziko poškození desek během procesu osazování a ztíženou manipulaci během výrobního procesu jako takového.
  
• Manipulace zákazníkem – Tenké desky plošných spojů jsou náchylné na poškození i během manipulace zákazníkem. Instalace desek plošných spojů do koncových výrobků totiž může probíhat v několika krocích, u kterých může dojít k poškození desky. Při návrhu tenkých desek plošných spojů je tedy nutné brát v úvahu i následný proces instalace do koncového výrobku zákazníka.
  
• Výrobní postupy a materiály – Specializované výrobní postupy a materiály jsou velmi častým faktorem vstupujícím do návrhu tenkých desek plošných spojů. Zpravidla tedy dochází k zvýšení výrobních nákladů takové desky. Na to navazuje i rozmístění součástek na desce, které může být ovlivněno umístěním jednotlivých spojů blíže k sobě, což může v konečném důsledku znamenat zkraty na desce a rušení signálu.
  
• Odvod tepla – Menší tepelná hmotnost tenkých desek může mít za důsledek problémy s odvodem tepla. Tepelnému managementu je tedy nutné věnovat zvýšenou pozornost.

Úspěšné řešení těchto výzev a rizik spočívá v jejich podchycení ve fázích návrhu, výroby a samotné montáže desky. Zajistíte tak dlouhodobou spolehlivost a výkonnost desek plošných spojů.   

Můžeme říct, že většina velkých výrobních firem doporučuje, v případě použití součástek s BGA pouzdrem, minimální tloušťku desky 1,5748 mm (0,062"). Pokud však potřebujete desku o tloušťce 0,7874 mm (0,031"), je nutné brát výše vyjmenované výzvy a rizika obzvláště zodpovědně.

Testování odolnosti

Pro testování mechanické odolnosti se používá takzvaná „pádová zkouška“. Tato metoda je v rámci testování mechanické odolnosti desek plošných spojů zcela běžná. Aby byla zkouška pádem co nejvíce vypovídající, je nutné splnit několik požadavků.

Požadavky na pádovou zkoušku zahrnují:

• Výška pádu – Vzdálenost, ze které byla deska během testu upuštěna. Obvyklá výška pádu je od 76 cm do 122 cm. Výška pádu se odvíjí od aplikace desky a od průmyslových norem.
  
• Povrch dopadové plochy – Povrch dopadové plochy může výrazně ovlivnit výsledné poškození desky. Typické povrchy jsou například beton, asfalt, plast nebo také dřevo.
  
• Počet pádů – Zákazník určí, kolik pádů by měla deska absolvovat bez poškození. Zpravidla se jedná o počet 3 až 6 pádů.
  
• Orientace pádu – Neméně důležitým faktorem je i orientace desky při pádu. Výsledek zkoušky se totiž může lišit v závislosti na tom, jestli byla deska otočena lícem nahoru, dolů, na hranu či roh.

Testování standartních desky plošných spojů se řídí normou IPC-TM-650 a specifickými požadavky zákazníka. Pokud zákazník požaduje desku pro zdravotnická zařízení, je nutné zkoušku vykonat podle požadavků normy IEC 60601-1:2005. Splněním jednotlivých požadavků výrobce prokáže odolnost a kvalitu vyrobené desky v případě použití desky v praxi. Zároveň lze předpokládat, že taková deska si svoji funkčnost zachová i po nárazu či pádu.

V případě pájených spojů není povinné zaznamenat jejich stav po provedení zkoušky, pokud u nich není viditelné nebo funkční poškození. V případě BGA pouzder může dojít k poškození v důsledku problémů montáže. Tyto problémy zahrnuje tepelné namáhání při pájení, špatná kvalita pájecího spoje. V případě tenkých desek plošných spojů se jedná i o nadměrné mechanické nárazy a vibrace při montáži. 

Obrázek 2 - Prasklina BGA pájeného spoje

Pádová zkouška tyto vady zpravidla zachytí, protože BGA součástky nemusejí vydržet namáhání, které se v případě pádové zkoušky vyskytuje. Pokud porucha nastane, lze kontrolovat BGA součástky kontrolovat pomocí rentgenu, optické kontroly nebo elektrického testování. Pro ještě podrobnější analýzu lze použít technologii analýzy příčného řezu pomocí rastrovacího elektronového mikroskopu (SEM).

Obrázek 3 - Správný BGA pájený spoj

Oprava selhání BGA konektorů na tenkých deskách plošných spojů

Praskání laminátu pod měděnými (Cu) podložkami součástek pro povrchovou montáž (SMT). K tomuto jevu dochází zpravidla při mechanickém namáhání. Jev vytvoří počáteční trhlinu na spoji, která se začne šířit a způsobovat elektricky otevřené obvody na desce. Častěji vyskytuje u desek, které mají spájené komponenty bezolovnatou pájkou, pro které se používá jiný laminát. Pro zmírnění rizika tohoto jevu je možné snížit napětí v laminátu desky nebo použít pevnější materiál.

Mechanické roztažení desky plošných spojů nebo změnu materiálu laminátu lze provést některým z následujících kroků:

• Dodatečné upevnění – Jelikož jsou tenké desky náchylnější k deformacím, může výrobce použít dodatečné upevnění. Toto upevnění se skládá zpravidla z různých výztuh, držáků desek a tak podobně, které poskytuje mechanickou oporu daným deskám. Výztuhy nejsou trvalou součástí desky plošných spojů. Jedná se pouze o dodatečnou vnější konstrukci, která je na desce upevněna pouze pro zpracování desky na výrobní lince.
• Lepidlo nebo epoxid na rohy BGA konektorů – Lepidla a epoxidy zpevňují desku plošných spojů. Přejdete tím ohýbání, čímž lze předcházet poruchám a poškozením.
• Zamezení ohybu desek plošných spojů při osazování – Ohybu desek plošných spojů lze předejít podepřením desky během manipulačních operací. Tyto operace zahrnuje například vrtání průchozích otvorů, funkční testování, ICT testování nebo pick and place.
• Dodržovat doporučený profil pájení BGA konektorů výrobcem – Nedodržení předepsaného pájecího profilu BGA součástek může způsobit studené pájené spoje. Je tedy nutné upevnit na desku dostatek tepelných čidel, které nám prozradí teplotu na jednotlivých místech desky. Tím můžeme předejít vzniku studených pájených spojů.
• Velikost podložky BGA konektoru odpovídá doporučení výrobce.

Závěr

V tomto článku jsme si řekli, jaké výzvy a rizika přináší návrh a výroba tenkých desek plošných spojů, zejména při osazování BGA pouzder. Probrali jsme, proč je důležité řešit mechanickou odolnost, teplotní management i správné výrobní postupy, a jak těmto problémům předcházet.

Co si z článku odnést:

• Tenké desky plošných spojů jsou náchylnější k mechanickému poškození a deformacím.
• Odvod tepla je u tenkých desek náročnější a vyžaduje pečlivé řešení.
• Pájení BGA pouzder na tenké desky zvyšuje riziko studených spojů a praskání.
• Pádové zkoušky a rentgenové kontroly jsou klíčové pro odhalení vad na deskách.
• Rizika lze minimalizovat správným návrhem, dodatečným zpevněním a přesným dodržováním pájecích profilů.