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最全印制板(PCB)翹曲原因分析及防止方法

發(fā)布時(shí)間:2020-12-31

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SMT又叫表面貼裝技術(shù),制做過(guò)程中,在一種加熱環(huán)境下,焊錫膏受熱融化,從而使得PCB焊盤(pán)通過(guò)焊錫膏合金與表面貼裝元器件可靠的結(jié)合在一起。我們稱(chēng)這個(gè)過(guò)程為回流焊。電路板經(jīng)過(guò)Reflow(回流焊)時(shí)大多容易發(fā)生板彎板翹,嚴(yán)重的話(huà)甚至?xí)斐稍蘸浮⒘⒈惹闆r。   

在自動(dòng)化插裝線(xiàn)上,印制板若不平整,會(huì)引起定位不準(zhǔn),元器件無(wú)法插裝到板子的孔和表面貼裝焊盤(pán)上,甚至?xí)矇淖詣?dòng)插裝機(jī)。裝上元器件的板子焊接后發(fā)生彎曲,元件腳很難剪平整齊。板子也無(wú)法裝到機(jī)箱或機(jī)內(nèi)的插座上,所以,裝配廠(chǎng)碰到板翹同樣是十分煩惱。目前,印制板已進(jìn)入到表面安裝和芯片安裝的時(shí)代,裝配廠(chǎng)對(duì)板翹的要求必定越來(lái)越嚴(yán)。   

據(jù)美國(guó)IPC——6012(1996版)《剛性印制板的鑒定與性能規(guī)范》,用于表面安裝印制板的允許最大翹曲和扭曲為0.75%,其它各種板子允許1.5%。這比IPC——RB——276(1992版)提高了對(duì)表面安裝印制板的要求。目前,各電子裝配廠(chǎng)許可的翹曲度,不管雙面或多層,1.6mm厚度,通常是0.70——0.75%,不少SMT,BGA的板子,要求是0.5%。部分電子工廠(chǎng)正在鼓動(dòng)把翹曲度的標(biāo)準(zhǔn)提高到0.3%, 測(cè)試翹曲度的方法遵照GB4677.5-84或IPC——TM——650.2.4.22B。把印制板放到經(jīng)檢定的平臺(tái)上,把測(cè)試針插到翹曲度最大的地方,以測(cè)試針的直徑,除以印制板曲邊的長(zhǎng)度,就可以計(jì)算出該印制板的翹曲度了。   

那么在PCB制板過(guò)程中,造成板彎和板翹的原因有哪些?下面我們來(lái)探討一下。   

每個(gè)板彎與板翹所形成的原因或許都不太一樣,但應(yīng)該都可以歸咎于施加于板子上的應(yīng)力大過(guò)了板子材料所能承受的應(yīng)力,當(dāng)板子所承受的應(yīng)力不均勻或是板子上每個(gè)地方抵抗應(yīng)力的能力不均勻時(shí),就會(huì)出現(xiàn)板彎及板翹的結(jié)果。以下是總結(jié)的造成板彎和板翹四大原因。   

1. 電路板上的鋪銅面面積不均勻,會(huì)惡化板彎與板翹。   

一般電路板上都會(huì)設(shè)計(jì)有大面積的銅箔來(lái)當(dāng)作接地之用,有時(shí)候Vcc層也會(huì)設(shè)計(jì)有大面積的銅箔,當(dāng)這些大面積的銅箔不能均勻地分佈在同一片電路板上的時(shí)候,就會(huì)造成吸熱與散熱速度不均勻的問(wèn)題,電路板當(dāng)然也會(huì)熱脹冷縮,如果漲縮不能同時(shí)就會(huì)造成不同的應(yīng)力而變形,這時(shí)候板子的溫度如果已經(jīng)達(dá)到了Tg值的上限,板子就會(huì)開(kāi)始軟化,造成永久的變形。   

2. 電路板本身的重量會(huì)造成板子凹陷變形   

一般回焊爐都會(huì)使用鏈條來(lái)帶動(dòng)電路板于回焊爐中的前進(jìn),也就是以板子的兩邊當(dāng)支點(diǎn)撐起整片板子,如果板子上面有過(guò)重的零件,或是板子的尺寸過(guò)大,就會(huì)因?yàn)楸旧淼姆N量而呈現(xiàn)出中間凹陷的現(xiàn)象,造成板彎。   

3. V-Cut的深淺及連接條會(huì)影響拼板變形量   

基本上V-Cut就是破壞板子結(jié)構(gòu)的元兇,因?yàn)閂-Cut就是在原來(lái)一大張的板材上切出V型溝槽來(lái),所以V-Cut的地方就容易發(fā)生變形。   

4. 電路板上各層的連結(jié)點(diǎn)(vias)會(huì)限制板子漲縮   

現(xiàn)今的電路板大多為多層板,而且層與層之間會(huì)有向鉚釘一樣的連接點(diǎn)(via),連結(jié)點(diǎn)又分為通孔、盲孔與埋孔,有連結(jié)點(diǎn)的地方會(huì)限制板子漲冷縮的效果,也會(huì)間接造成板彎與板翹。   

那么我們?cè)谥圃爝^(guò)程中如何更好的防止板翹曲的問(wèn)題發(fā)生呢,下面總結(jié)了幾個(gè)有效方法,希望能幫到大家。   

1. 降低溫度對(duì)板子應(yīng)力的影響   

既然「溫度」是板子應(yīng)力的主要來(lái)源,所以只要降低回焊爐的溫度或是調(diào)慢板子在回焊爐中升溫及冷卻的速度,就可以大大地降低板彎及板翹的情形發(fā)生。不過(guò)可能會(huì)有其他副作用發(fā)生,比如說(shuō)焊錫短路。   

2. 采用高Tg的板材   

Tg是玻璃轉(zhuǎn)換溫度,也就是材料由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變成橡膠態(tài)的溫度,Tg值越低的材料,表示其板子進(jìn)入回焊爐后開(kāi)始變軟的速度越快,而且變成柔軟橡膠態(tài)的時(shí)間也會(huì)變長(zhǎng),板子的變形量當(dāng)然就會(huì)越嚴(yán)重。采用較高Tg的板材就可以增加其承受應(yīng)力變形的能力,但是相對(duì)地材料的價(jià)錢(qián)也比較高。   

3. 增加電路板的厚度   

許多電子的產(chǎn)品為了達(dá)到更輕薄的目的,板子的厚度已經(jīng)剩下1.0mm、0.8mm,甚至做到了0.6mm的厚度,這樣的厚度要保持板子在經(jīng)過(guò)回焊爐不變形,真的有點(diǎn)強(qiáng)人所難,建議如果沒(méi)有輕薄的要求,板子最好可以使用1.6mm的厚度,可以大大降低板彎及變形的風(fēng)險(xiǎn)。   

4. 減少電路板的尺寸與減少拼板的數(shù)量   

既然大部分的回焊爐都采用鏈條來(lái)帶動(dòng)電路板前進(jìn),尺寸越大的電路板會(huì)因?yàn)槠渥陨淼闹亓浚诨睾笭t中凹陷變形,所以盡量把電路板的長(zhǎng)邊當(dāng)成板邊放在回焊爐的鏈條上,就可以降低電路板本身重量所造成的凹陷變形,把拼板數(shù)量降低也是基于這個(gè)理由,也就是說(shuō)過(guò)爐的時(shí)候,盡量用窄邊垂直過(guò)爐方向,可以達(dá)到最低的凹陷變形量。   

5. 使用過(guò)爐托盤(pán)治具   

如果上述方法都很難作到,最后就是使用過(guò)爐托盤(pán) (reflow carrier/template) 來(lái)降低變形量了,過(guò)爐托盤(pán)可以降低板彎板翹的原因是因?yàn)椴还苁菬崦涍€是冷縮,都希望托盤(pán)可以固定住電路板等到電路板的溫度低于Tg值開(kāi)始重新變硬之后,還可以維持住原來(lái)的尺寸。   

如果單層的托盤(pán)還無(wú)法降低電路板的變形量,就必須再加一層蓋子,把電路板用上下兩層托盤(pán)夾起來(lái),這樣就可以大大降低電路板過(guò)回焊爐變形的問(wèn)題了。不過(guò)這過(guò)爐托盤(pán)挺貴的,而且還得加人工來(lái)置放與回收托盤(pán)。   

6. 改用Router替代V-Cut的分板使用   

既然V-Cut會(huì)破壞電路板間拼板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,那就盡量不要使用V-Cut的分板,或是降低V-Cut的深度。   

7. 工程設(shè)計(jì)中貫穿三點(diǎn):   

A.層間半固化片的排列應(yīng)當(dāng)對(duì)稱(chēng),例如六層板,1——2和5——6層間的厚度和半固化片的張數(shù)應(yīng)當(dāng)一致,否則層壓后容易翹曲。   

B.多層板芯板和半固化片應(yīng)使用同一供應(yīng)商的產(chǎn)品。   

C. 外層A面和B面的線(xiàn)路圖形面積應(yīng)盡量接近。若A面為大銅面,而B(niǎo)面僅走幾根線(xiàn),這種印制板在蝕刻后就很容易翹曲。如果兩面的線(xiàn)路面積相差太大,可在稀的一面加一些獨(dú)立的網(wǎng)格,以作平衡。   

8. 半固化片的經(jīng)緯向:   

半固化片層壓后經(jīng)向和緯向收縮率不一樣,下料和迭層時(shí)必須分清經(jīng)向和緯向。否則,層壓后很容易造成成品板翹曲,即使加壓力烘板亦很難糾正。多層板翹曲的原因,很多就是層壓時(shí)半固化片的經(jīng)緯向沒(méi)分清,亂迭放而造成的。   

區(qū)別經(jīng)緯向的方法:成卷的半固化片卷起的方向是經(jīng)向,而寬度方向是緯向;對(duì)銅箔板來(lái)說(shuō)長(zhǎng)邊時(shí)緯向,短邊是經(jīng)向,如不能確定可向生產(chǎn)商或供應(yīng)商查詢(xún)。   

9. 下料前烘板:   

覆銅板下料前烘板(150攝氏度,時(shí)間8±2小時(shí))目的是去除板內(nèi)的水分,同時(shí)使板材內(nèi)的樹(shù)脂完全固化,進(jìn)一步消除板材中剩余的 應(yīng)力,這對(duì)防止板翹曲是有幫助的。目前,許多雙面、多層板仍堅(jiān)持下料前或后烘板這一步驟。但也有部分板材廠(chǎng)例外,目前各PCB 廠(chǎng)烘板的時(shí)間規(guī)定也不一致,從4——10小時(shí)都有,建議根據(jù)生產(chǎn)的印制板的檔次和客戶(hù)對(duì)翹曲度的要求來(lái)決定。剪成拼板后烘還是整塊大料烘后下料,二種方法都可行,建議剪料后烘板。內(nèi)層板亦應(yīng)烘板……

10. 層壓后除應(yīng)力 :   

多層板在完成熱壓冷壓后取出,剪或銑掉毛邊,然后平放在烘箱內(nèi)150攝氏度烘4小時(shí),以使板內(nèi)的應(yīng)力逐漸釋放并使樹(shù)脂完全固化,這一步驟不可省略。   

11. 薄板電鍍時(shí)需要拉直:   

0.4——0.6mm超薄多層板作板面電鍍和圖形電鍍時(shí)應(yīng)制作特殊的夾輥,在自動(dòng)電鍍線(xiàn)上的飛巴上夾上薄板后,用一條圓棍把整條飛巴上的夾輥串起來(lái),從而拉直輥上所有的板子,這樣電鍍后的板子就不會(huì)變形。若無(wú)此措施,經(jīng)電鍍二三十微米的銅層后,薄板會(huì)彎曲,而且難以補(bǔ)救。   

12. 熱風(fēng)整平后板子的冷卻:   

印制板熱風(fēng)整平時(shí)經(jīng)焊錫槽(約250攝氏度)的高溫沖擊,取出后應(yīng)放到平整的大理石或鋼板上自然冷卻,在送至后處理機(jī)作清洗。這樣對(duì)板子防翹曲很有好處。有的工廠(chǎng)為增強(qiáng)鉛錫表面的亮度,板子熱風(fēng)整平后馬上投入冷水中,幾秒鐘后取出在進(jìn)行后處理,這種一熱一冷的沖擊,對(duì)某些型號(hào)的板子很可能產(chǎn)生翹曲,分層或起泡。另外設(shè)備上可加裝氣浮床來(lái)進(jìn)行冷卻。   

13. 翹曲板子的處理:   

管理有序的工廠(chǎng),印制板在最終檢驗(yàn)時(shí)會(huì)作100%的平整度檢查。凡不合格的板子都將挑出來(lái),放到烘箱內(nèi),在150攝氏度及重壓下烘3——6小時(shí),并在重壓下自然冷卻。然后卸壓把板子取出,在作平整度檢查,這樣可挽救部分板子,有的板子需作二到三次的烘壓才能整平。上海華堡DAILI的氣壓式板翹反直機(jī)經(jīng)上海貝爾的使用在補(bǔ)救線(xiàn)路板翹曲方面有十分好的效果。若以上涉及的防翹曲的工藝 措施不落實(shí),部分板子烘壓也沒(méi)用,只能報(bào)廢。
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