PCB板變形的危害

 

在自動化表面貼裝線上，電路板若不平整，會引起定位不準(zhǔn)，元器件無法插裝或貼裝到板子的孔和表面貼裝焊盤上，甚至?xí)矇淖詣硬逖b機。

裝上元器件的電路板焊接后發(fā)生彎曲，元件腳很難剪平整齊。板子也無法裝到機箱或機內(nèi)的插座上，所以，裝配廠碰到板翹同樣是十分煩惱。

目前的表面貼裝技術(shù)正在朝著高精度、高速度、智能化方向發(fā)展，這就對作為各種元器件載體的 PCB 板提出了更高的平整度要求。

在 IPC 標(biāo)準(zhǔn)中特別指出帶有表面貼裝器件的 PCB 板允許的變形量為 0.75%，沒有表面貼裝的 PCB 板允許的變形量為 1.5%。

實際上，為滿足高精度和高速度貼裝的需求，部分電子裝配廠家對變形量的要求更加嚴(yán)格，如有要求允許的變形量為 0.5%，甚至有個別要求 0.3%。

PCB 板由銅箔、樹脂、玻璃布等材料組成，各材料物理和化學(xué)性能均不相同，壓合在一起后必然會產(chǎn)生熱應(yīng)力殘留，導(dǎo)致變形。

同時在 PCB 的加工過程中，會經(jīng)過高溫、機械切削、濕處理等各種流程，也會對板件變形產(chǎn)生重要影響，總之可以導(dǎo)致 PCB 板變形的原因復(fù)雜多樣，如何減少或消除由于材料特性不同或者加工引起的變形，成為 PCB 制造商面臨的復(fù)雜問題之一。

 

PCB板變形產(chǎn)生原因分析

 

PCB 板的變形需要從材料、結(jié)構(gòu)、圖形分布、加工制程等幾個方面進行研究，文章將對可能產(chǎn)生變形的各種原因和改善方法進行分析和闡述。

電路板上的鋪銅面面積不均勻，會惡化板彎與板翹。

一般電路板上都會設(shè)計有大面積的銅箔來當(dāng)作接地之用，有時候 Vcc 層也會有設(shè)計有大面積的銅箔，當(dāng)這些大面積的銅箔不能均勻地分布在同一片電路板上的時候，就會造成吸熱與散熱速度不均勻的問題。

電路板當(dāng)然也會熱脹冷縮，如果漲縮不能同時就會造成不同的應(yīng)力而變形，這時候板子的溫度如果已經(jīng)達到了 Tg 值的上限，板子就會開始軟化，造成的變形。

電路板上各層的連結(jié)點（vias，過孔）會限制板子漲縮 。

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

 

PCB 板變形的原因：

 

（1）電路板本身的重量會造成板子凹陷變形

一般回焊爐都會使用鏈條來帶動電路板于回焊爐中的前進，也就是以板子的兩邊當(dāng)支點撐起整片板子。

如果板子上面有過重的零件，或是板子的尺寸過大，就會因為本身的重量而呈現(xiàn)出中間凹陷的現(xiàn)象，造成板彎。

 

（2）V-Cut 的深淺及連接條會影響拼板變形量

基本上 V-Cut 就是破壞板子結(jié)構(gòu)的元兇，因為 V-Cut 就是在原來一大張的板材上切出溝槽來，所以 V-Cut 的地方就容易發(fā)生變形。

 

壓合材料、結(jié)構(gòu)、圖形對板件變形的影響：

 

PCB 板由芯板和半固化片以及外層銅箔壓合而成，其中芯板與銅箔在壓合時受熱變形，變形量取決于兩種材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）。

銅箔的熱膨脹系數(shù)（CTE）為 17X10-6 左右；而普通 FR-4 基材在 Tg 點下 Z 向 CTE 為（50~70）X10-6；TG 點以上為（250~350）X10-6，X 向 CTE 由于玻璃布存在，一般與銅箔類似。

 

PCB板加工過程中引起的變形：

 

PCB 板加工過程的變形原因非常復(fù)雜可分為熱應(yīng)力和機械應(yīng)力兩種應(yīng)力導(dǎo)致。

其中熱應(yīng)力主要產(chǎn)生于壓合過程中，機械應(yīng)力主要產(chǎn)生板件堆放、搬運、烘烤過程中。下面按流程順序做簡單討論。

 

1. 覆銅板來料：

 

覆銅板均為雙面板，結(jié)構(gòu)對稱，無圖形，銅箔與玻璃布 CTE 相差無幾，所以在壓合過程中幾乎不會產(chǎn)生因 CTE 不同引起的變形。

但是，覆銅板壓機尺寸大，熱盤不同區(qū)域存在溫差，會導(dǎo)致壓合過程中不同區(qū)域樹脂固化速度和程度有細(xì)微差異，同時不同升溫速率下的動黏度也有較大差異，所以也會產(chǎn)生由于固化過程差異帶來的局部應(yīng)力。

一般這種應(yīng)力會在壓合后維持平衡，但會在日后的加工中逐漸釋放產(chǎn)生變形。

 

2. 壓合：

 

PCB 壓合工序是產(chǎn)生熱應(yīng)力的主要流程，與覆銅板壓合類似，也會產(chǎn)生固化過程差異帶來的局部應(yīng)力，PCB 板由于厚度更厚、圖形分布多樣、半固化片更多等原因，其熱應(yīng)力也會比覆銅板更多更難消除。

而 PCB 板中存在的應(yīng)力，在后繼鉆孔、外形或者燒烤等流程中釋放，導(dǎo)致板件產(chǎn)生變形。

 

3. 阻焊、字符等烘烤流程：

 

由于阻焊油墨固化時不能互相堆疊，所以 PCB 板都會豎放在架子里烘板固化，阻焊溫度 150℃左右，剛好超過中低 Tg 材料的 Tg 點，Tg 點以上樹脂為高彈態(tài)，板件容易在自重或者烘箱強風(fēng)作用下變形。

 

4. 熱風(fēng)焊料整平：

 

普通板熱風(fēng)焊料整平時錫爐溫度為 225℃~265℃，時間為 3S-6S。熱風(fēng)溫度為 280℃~300℃。

焊料整平時板從室溫進錫爐，出爐后兩分鐘內(nèi)又進行室溫的后處理水洗。整個熱風(fēng)焊料整平過程為驟熱驟冷過程。

由于電路板材料不同，結(jié)構(gòu)又不均勻，在冷熱過程中必然會出現(xiàn)熱應(yīng)力，導(dǎo)致微觀應(yīng)變和整體變形翹曲。

 

5. 存放：

 

PCB 板在半成品階段的存放一般都豎插在架子中，架子松緊調(diào)整的不合適，或者存放過程中堆疊放板等都會使板件產(chǎn)生機械變形。尤其對于 2.0mm 以下的薄板影響更為嚴(yán)重。

除以上因素以外，影響 PCB 板變形的因素還有很多。

 

PCB板翹曲變形的預(yù)防

 

電路板翹曲對印制電路板的制作影響是非常大的，翹曲也是電路板制作過程中的重要問題之一，裝上元器件的板子焊接后發(fā)生彎曲，組件腳很難整齊。

板子也無法裝到機箱或機內(nèi)的插座上，所以，電路板翹曲會影響到整個后序工藝的正常運作。

現(xiàn)階段印制電路板已進入到表面安裝和芯片安裝的時代，工藝對電路板翹曲的要求可謂是越來越高。所以我們要找到電路板翹曲的原因。

 

1. 工程設(shè)計：

 

印制板設(shè)計時應(yīng)注意事項：

A. 層間半固化片的排列應(yīng)當(dāng)對稱，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 面的線路圖形面積應(yīng)盡量接近。若 A 面為大銅面，而 B 面僅走幾根線，這種印制板在蝕刻后就很容易翹曲。如果兩面的線路面積相差太大，可在稀疏的一面加一些獨立的網(wǎng)格，以作平衡。

 

2. 下料前烘板：

 

覆銅板下料前烘板（150 攝氏度，時間 8±2 小時）目的是去除板內(nèi)的水分，同時使板材內(nèi)的樹脂完全固化，進一步消除板材中剩余的應(yīng)力，這對防止板翹曲是有幫助的。

目前，許多雙面、多層板仍堅持下料前或后烘板這一步驟。但也有部分板材廠例外，目前各 PCB 廠烘板的時間規(guī)定也不一致，從 4－10 小時都有，建議根據(jù)生產(chǎn)的印制板的檔次和客戶對翹曲度的要求來決定。

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。

 

3. 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，很多就是層壓時半固化片的經(jīng)緯向沒分清，亂迭放而造成的。

如何區(qū)分經(jīng)緯向？成卷的半固化片卷起的方向是經(jīng)向，而寬度方向是緯向；對銅箔板來說長邊是緯向，短邊是經(jīng)向，如不能確定可向生產(chǎn)商或供應(yīng)商查詢。

 

4. 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，以使板內(nèi)的應(yīng)力逐漸釋放并使樹脂完全固化，這一步驟不可省略。

 

5. 薄板電鍍時需要拉直：

 

0.4～0.6mm 超薄多層板作板面電鍍和圖形電鍍時應(yīng)制作特殊的夾輥，在自動電鍍線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，從而拉直輥上所有的板子，這樣電鍍后的板子就不會變形。

若無此措施，經(jīng)電鍍二三十微米的銅層后，薄板會彎曲，而且難以補救。

 

6. 熱風(fēng)整平后板子的冷卻：

 

印制板熱風(fēng)整平時經(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，在送至后處理機作清洗。這樣對板子防翹曲很有好處。

有的工廠為增強鉛錫表面的亮度，板子熱風(fēng)整平后馬上投入冷水中，幾秒鐘后取出再進行后處理，這種一熱一冷的沖擊，對某些型號的板子很可能產(chǎn)生翹曲，分層或起泡。

另外設(shè)備上可加裝氣浮床來進行冷卻。

 

7. 翹曲板子的處理：

 

管理有序的工廠，印制板在終檢驗時會作 100％的平整度檢查。凡不合格的板子都將挑出來，放到烘箱內(nèi)，在 150 攝氏度及重壓下烘 3～6 小時，并在重壓下自然冷卻。

然后卸壓把板子取出，再作平整度檢查，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。若以上涉及的防翹曲的工藝措施不落實，部分板子烘壓也沒用，只能報廢。