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行業(yè)新聞

PCB變形的原因及如何改善

發(fā)布時(shí)間：2017-08-25點(diǎn)擊數(shù)：載入中...

PCB板由銅箔、樹(shù)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(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力殘留，導(dǎo)致變形。同時(shí)在PCB的加工過(guò)程中,會(huì)經(jīng)過(guò)高溫、機(jī)械切削、濕處理等各種流程,也會(huì)對(duì)板件變形產(chǎn)生重要影響。導(dǎo)致PCB板變形的原因復(fù)雜多樣，那么如何減少因材料特性不同或加工引起的PCB變形，也成為了PCB制作商最頭疼的問(wèn)題之一。

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(gè)方面進(jìn)行研究

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)有設(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。

電路板上各層的連結(jié)點(diǎn)(vias，過(guò)孔)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)(vias)，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。

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。

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溝槽來(lái)，所以V-Cut的地方就容易發(fā)生變形。

PCB板加工過(guò)程中引起的變形

PCB板加工過(guò)程的變形原因非常復(fù)雜可分為熱應(yīng)力和機(jī)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(guò)程中，機(jī)械應(yīng)力主要產(chǎn)生板件堆放、搬運(yùn)、烘烤過(guò)程中。下面按流程順序做簡(jiǎn)單討論。

覆銅板來(lái)料：覆銅板均為雙面板，結(jié)構(gòu)對(duì)稱，無(wú)圖形，銅箔與玻璃布CTE相差無(wú)幾，所以在壓合過(guò)程中幾乎不會(huì)產(chǎn)生因CTE不同引起的變形。但是，覆銅板壓機(jī)尺寸大，熱盤不同區(qū)域存在溫差，會(huì)導(dǎo)致壓合過(guò)程中不同區(qū)域樹(shù)脂固化速度和程度有細(xì)微差異，同時(shí)不同升溫速率下的動(dòng)黏度也有較大差異，所以也會(huì)產(chǎn)生由于固化過(guò)程差異帶來(lái)的局部應(yīng)力。一般這種應(yīng)力會(huì)在壓合后維持平衡，但會(huì)在日后的加工中逐漸釋放產(chǎn)生變形。

壓合：PCB壓合工序是產(chǎn)生熱應(yīng)力的主要流程，其中由于材料或結(jié)構(gòu)不同產(chǎn)生的變形見(jiàn)上一節(jié)的分析。與覆銅板壓合類似，也會(huì)產(chǎn)生固化過(guò)程差異帶來(lái)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(huì)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。

阻焊、字符等烘烤流程：由于阻焊油墨固化時(shí)不能互相堆疊，所以PCB板都會(huì)豎放在架子里烘板固化，阻焊溫度150℃左右，剛好超過(guò)中低Tg材料的Tg點(diǎn)，Tg點(diǎn)以上樹(shù)脂為高彈態(tài)，板件容易在自重或者烘箱強(qiáng)風(fēng)作用下變形。

熱風(fēng)焊料整平：普通板熱風(fēng)焊料整平時(shí)錫爐溫度為225℃~265℃,時(shí)間為3S-6S。熱風(fēng)溫度為280℃~300℃.焊料整平時(shí)板從室溫進(jìn)錫爐，出爐后兩分鐘內(nèi)又進(jìn)行室溫的后處理水洗。整個(gè)熱風(fēng)焊料整平過(guò)程為驟熱驟冷過(guò)程。由于電路板材料不同，結(jié)構(gòu)又不均勻，在冷熱過(guò)程中必然會(huì)出現(xiàn)熱應(yīng)力，導(dǎo)致微觀應(yīng)變和整體變形翹區(qū)。

存放：PCB板在半成品階段的存放一般都堅(jiān)插在架子中，架子松緊調(diào)整的不合適，或者存放過(guò)程中堆疊放板等都會(huì)使板件產(chǎn)生機(jī)械變形。尤其對(duì)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變形的因素還有很多。

那么，如何改善PCB變形的情況尼？

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，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)有其他副作用就事了。

2. 采用高Tg的板材

Tg（基材保持剛性的最高溫度(℃)）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。採(cǎi)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，甚至作到了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採(cǎi)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?，在回焊爐中凹陷變形，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)爐托盤治具

如果上述方法都很難作到，最后就是使用過(guò)爐托盤 (reflow carrier/template) 來(lái)降低變形量了，過(guò)爐托盤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，還可以維持住園來(lái)的尺寸。

如果單層的托盤還無(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)爐托盤挺貴的，而且還得加人工來(lái)置放與回收托盤。

6. 改用實(shí)連接、郵票孔，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。

PCB生產(chǎn)工程中的優(yōu)化

工程設(shè)計(jì)研究

工程設(shè)計(jì)應(yīng)該盡量避免結(jié)構(gòu)不對(duì)稱、材料不對(duì)稱、圖形不對(duì)稱的設(shè)計(jì)，以減少變形的產(chǎn)生，同時(shí)在研究過(guò)程還發(fā)現(xiàn)芯板直接壓合結(jié)構(gòu)比銅箔壓合結(jié)構(gòu)更容易變形。

壓合研究

壓合對(duì)變形的影響至關(guān)重要，通過(guò)合理的參數(shù)設(shè)置、壓機(jī)選擇和疊板方式等可以有效減少應(yīng)力的產(chǎn)生。針對(duì)一般的結(jié)構(gòu)對(duì)稱的板件，一般需要注意壓合時(shí)對(duì)稱疊板，并對(duì)稱放置工具板、緩沖材料等輔助工具。同時(shí)選擇冷熱一體壓機(jī)壓合對(duì)減少熱應(yīng)力也有明顯幫助，原因?yàn)槔錈岱煮w壓機(jī)在高溫下（GT溫度以上）將板件轉(zhuǎn)到冷壓機(jī)，材料在Tg點(diǎn)以上失壓并快速冷卻會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力迅速釋放產(chǎn)生變形，而冷熱一體壓機(jī)可實(shí)現(xiàn)熱壓末段降溫，避免板件在高溫下失壓。

其他生產(chǎn)流程

PCB生產(chǎn)流程中，除壓合外還有阻焊、字符化以及熱風(fēng)整平幾個(gè)高溫處理流程，其中阻焊、字符后的烘板最高溫度150℃在前文提到過(guò)此溫度在普通Tg材料Tg點(diǎn)以上，此時(shí)材料為高彈態(tài)，容易在外力下變形，所以要避免烘板時(shí)疊板防止下層板被壓彎，同時(shí)要烘板時(shí)保證板件方向與吹風(fēng)方向平行。在熱風(fēng)整平加工時(shí)則要保證板件出錫爐平放冷卻30s以上，避免高溫下過(guò)后處理的冷水洗導(dǎo)致驟冷變形。