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PCB變形的原因及改善

日期:2018-04-09

電路板經過回流焊時大多容易發生板彎板翹,嚴重的話甚至會造成元件空焊、立碑等情況,應如何克服呢?

1、PCB線路板變形的危害

在自動化表面貼裝線上,電路板若不平整,會引起定位不準,元器件無法插裝或貼裝到板子的孔和表面貼裝焊盤上,甚至會撞壞自動插裝機。裝上元器件的電路板焊接后發生彎曲,元件腳很難剪平整齊。板子也無法裝到機箱或機內的插座上,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正在朝著高精度、高速度、智能化方向發展,這就對做為各種元器件家園的PCB板提出了更高的平整度要求。

IPC標準中特別指出帶有表面貼裝器件的PCB板允許的最大變形量為0.75%,沒有表面貼裝的PCB板允許的最大變形量為1.5%。實際上,為滿足高精度和高速度貼裝的需求,部分電子裝聯廠家對變形量的要求更加嚴格,如我公司有多個客戶要求允許的最大變形量為0.5%,甚至有個別客戶要求0.3%。

PCB板由銅箔、樹脂、玻璃布等材料組成,各材料物理和化學性能均不相同,壓合在一起后必然會產生熱應力殘留,導致變形。同時在PCB的加工過程中,會經過高溫、機械切削、濕處理等各種流程,也會對板件變形產生重要影響,總之可以導致PCB板變形的原因復雜多樣,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制造商面臨的最復雜問題之一。

2、變形產生原因分析

PCB板的變形需要從材料、結構、圖形分布、加工制程等幾個方面進行研究,本文將對可能產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計有大面積的銅箔來當作接地之用,有時候Vcc層也會有設計有大面積的銅箔,當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候,就會造成吸熱與散熱速度不均勻的問題,電路板當然也會熱脹冷縮,如果漲縮不能同時就會造成不同的應力而變形,這時候板子的溫度如果已經達到了Tg值的上限,板子就會開始軟化,造成永久的變形。

電路板上各層的連結點(vias,過孔)會限制板子漲縮

現今的電路板大多為多層板,而且層與層之間會有向鉚釘一樣的連接點(vias),連結點又分為通孔、盲孔與埋孔,有連結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。

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,就會因為本身的種量而呈現出中間凹陷的現象,造成板彎。

V-Cut的深淺及連接條會影響拼板變形量

基本上V-Cut就是破壞板子結構的元兇,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的地方就容易發生變形。

2.1 壓合材料、結構、圖形對板件變形的響分析

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(CTE)

銅箔的熱膨脹系數(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。

關于TG點的注釋:

Tg印制板當溫度升高到某一區域時,基板將由\"玻璃態”轉變為“橡膠態”,此時的溫度 稱為該板的玻璃化溫度(Tg)。也就是說,Tg是基材保持剛性的最高溫度(℃)。也就是說普通PCB基板材料在高溫下,不但產生軟化、變形、熔融等現象,同時還表現在機械、電氣特性的急劇下降。

一般Tg的板材為130度以上,高Tg一般大于170度,中等Tg約大于150度。

通常Tg≥170℃的PCB印制板,稱作高Tg印制板。

基板的Tg提高了,印制板的耐熱性、耐潮濕性、耐化學性、耐穩定性等特征都會提高和改善。TG值越高,板材的耐溫度性能越好 ,尤其在無鉛制程中,高Tg應用比較多。

Tg指的是高耐熱性。隨著電子工業的飛躍發展,特別是以計算機為代表的電子產品,向著高功能化、高多層化發展,需要PCB基板材料的更高的耐熱性作為重要的保證。以SMT、CMT為代表的高密度安裝技術的出現和發展,使PCB在小孔徑、精細線路化、薄型化方面,越來越離不開基板高耐熱性的支持。

所以一般的FR-4與高Tg的FR-4的區別:是在熱態下,特別是在吸濕后受熱下,其材料的機械強度、尺寸穩定性、粘接性、吸水性、熱分解性、熱膨脹性等各種情況存在差異,高Tg產品明顯要好于普通的PCB基板材料。

其中做好內層圖形的芯板的膨脹由于圖形分布與芯板厚度或者材料特性不同而不同,當圖形分布與芯板厚度或者材料特性不同而不同,當圖形分布比較均勻,材料類型一致,不會產生變形。當PCB板層壓結構存在不對稱或者圖形分布不均勻時會導致不同芯板的CTE差異較大,從而在壓合過程中產生變形。其變形機理可通過以下原理解釋。

1普通半固化片動粘度曲線

假設有兩種CTE相差較大的芯板通過半固化片壓合在一起,其中A芯板CTE為1.5x10-5/℃,芯板長度均為1000mm。在壓合過程作為粘結片的半固化片,則經過軟化、流動并填充圖形、固化三個階段將兩張芯板粘合在一起。

1為普通FR-4樹脂在不同升溫速率下的動粘底曲線,一般情況下,材料從90℃左右開始流動,并在達到TG點以上開始交聯固化,在固化之前半固化片為自由狀態,此時芯板和銅箔處在受熱后自由膨脹狀態,其變形量可以通過各自的CTE和溫度變化值得到。

模擬壓合條件,溫度從30℃升至180℃,

此時兩種芯板變形量分別為

△LA=(180℃~30℃)x1.5x10-5m/℃X1000mm=2.25mm

△LB=(180℃~30℃)X2.5X10-5M/℃X1000mm=3.75mm

此時由于半固化尚在自由狀態,兩種芯板一長一短,互不干涉,尚未發生變形。

見圖2,壓合時會在高溫下保持一段時間,直到半固化完全固化,此時樹脂變成固化狀態,不能隨意流動,兩種芯板結合在一起.當溫度下降時,如無層間樹脂束縛,芯板會回復至初始長度,并不會產生變形,但實際上兩張芯板在高溫時已經被固化的樹脂粘合,在降溫過程中不能隨意收縮,其中A芯板應該收縮3.75mm,實際上當收縮大于2.25mm時會受到A芯板的阻礙,為達成兩芯板間的受力平衡,B芯板不能收縮到3.75mm,而A芯板收縮會大于2.25mm,從而使整板向B芯板方向變曲,如圖2所示。

2 不同CTE芯板壓合過程中變形示意

根據上述分析可知,PCB板的層壓結構、材料類型已經圖形分布是否均勻,直接影響了不同芯板以及銅箔之間的CTE差異,在壓合過程中的漲縮差異會通過半固化片的固片過程而被保留并最終形成PCB板的變形。

2.2 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雜可分為熱應力和機械應力兩種應力導致。其中熱應力主要產生于壓合過程中,機械應力主要產生板件堆放、搬運、烘烤過程中。下面按流程順序做簡單討論。

覆銅板來料:覆銅板均為雙面板,結構對稱,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,熱盤不同區域存在溫差,會導致壓合過程中不同區域樹脂固化速度和程度有細微差異,同時不同升溫速率下的動黏度也有較大差異,所以也會產生由于固化過程差異帶來的局部應力。一般這種應力會在壓合后維持平衡,但會在日后的加工中逐漸釋放產生變形。

壓合:PCB壓合工序是產生熱應力的主要流程,其中由于材料或結構不同產生的變形見上一節的分析。與覆銅板壓合類似,也會產生固化過程差異帶來的局部應力,PCB板由于厚度更厚、圖形分布多樣、半固化片更多等原因,其熱應力也會比覆銅板更多更難消除。而PCB板中存在的應力,在后繼鉆孔、外形或者燒烤等流程中釋放,導致板件產生變形。

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,板件容易在自重或者烘箱強風作用下變形。

熱風焊料整平:普通板熱風焊料整平時錫爐溫度為225℃~265℃,時間為3S-6S。熱風溫度為280℃~300℃.焊料整平時板從室溫進錫爐,出爐后兩分鐘內又進行室溫的后處理水洗。整個熱風焊料整平過程為驟熱驟冷過程。由于電路板材料不同,結構又不均勻,在冷熱過程中必然會出現熱應力,導致微觀應變和整體變形翹區。

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

除以上因素以外,影響PCB變形的因素還有很多。

3、改善對策

那要如何才可以防止板子過回焊爐發生板彎及板翹的情形呢?

1. 降低溫度對板子應力的影響

既然「溫度」是板子應力的主要來源,只要降低回焊爐的溫度或是調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生。不過可能會有其他副作用就事了。

2. 采用高Tg的板材

Tg是玻璃轉換溫度,也就是材料由玻璃態轉變成橡膠態的溫度,Tg值越低的材料,表示其板子進入回焊爐后開始變軟的速度越快,而且變成柔軟橡膠態的時間也會變長,板子的變形量當然就會越嚴重。採用較高Tg的板材就可以增加其承受應力變形的能力,但是相對地材料的價錢也比較高。

3. 增加電路板的厚度

許多電子的產品為了達到更輕薄的目的,板子的厚度已經剩下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過回焊爐不變形,真的有點強人所難,建議如果沒有輕薄的要求,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險。

4. 減少電路板的尺寸與減少拼板的數量

既然大部分的回焊爐都採用鏈條來帶動電路板前進,尺寸越大的電路板會因為其自身的重量,在回焊爐中凹陷變形,所以盡量把電路板的長邊當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,把拼板數量降低也是基于這個理由,也就是說過爐的時候,盡量用窄邊垂直過爐方向,可以達到最低的凹陷變形量。

5. 使用過爐托盤治具

如果上述方法都很難作到,最后就是使用過爐托盤 (reflow carrier/template) 來降低變形量了,過爐托盤可以降低板彎板翹的原因是因為不管是熱脹還是冷縮,都希望托盤可以固定住電路板等到電路板的溫度低于Tg值開始重新變硬之后,還可以維持住園來的尺寸。

如果單層的托盤還無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,這樣就可以大大降低電路板過回焊爐變形的問題了。不過這過爐托盤挺貴的,而且還得加人工來置放與回收托盤。

6. 改用實連接、郵票孔,替代V-Cut的分板使用

既然V-Cut會破壞電路板間拼板的結構強度,那就盡量不要使用V-Cut的分板,或是降低V-Cut的深度。

實連接:采用走刀式分板機

郵票孔

PCB生產工程中的優化:

不同材料對板件變形的影響

將不同材料板件變形超標缺陷率進行統計,結果見表1。

從表中可以看到,低Tg材料變形缺陷率要高于高Tg材料,上表所列高Tg材料均為填料形材料,CTE均小于低Tg材料,同時在壓合以后的加工過程中,烘烤溫度最高150℃,對低Tg材料的影響肯定會大于中高Tg材料。

工程設計研究

工程設計應該盡量避免結構不對稱、材料不對稱、圖形不對稱的設計,以減少變形的產生,同時在研究過程還發現芯板直接壓合結構比銅箔壓合結構更容易變形,表2為兩種結構板件的試驗結果。

從表2可以看出兩種結構變形不合格的缺陷率有明顯區別,可以理解為芯板壓合結構由三張芯板組成,不同芯板間的漲縮以及應力變化更復雜,更難以消除。

在工程設計,拼板邊框形式對變形也有較大影響,一般PCB工廠會存在連續大銅皮邊框和非連續的銅點或銅塊邊框,也有不同區別。

3為兩種邊框設計板件的對比試驗結果。之所以兩種邊框形式變形表現不同,是因為連續形銅皮邊框強度高,在壓合及拼板加工過程中剛性比較大,使板件內殘余應力不容易釋放,集中在外形加工后釋放,導致變形更嚴重。而非連續形銅點邊框則在壓合及后繼加工過程中逐步釋放應力,在外形后單板變形較小。

以上為工程設計小涉及到的一些可能的影響因素,如能在設計時靈活運用??梢詼p少因設計帶來的變形影響。

3.3 壓合研究

壓合對變形的影響至關重要,通過合理的參數設置、壓機選擇和疊板方式等可以有效減少應力的產生。針對一般的結構對稱的板件,一般需要注意壓合時對稱疊板,并對稱放置工具板、緩沖材料等輔助工具。同時選擇冷熱一體壓機壓合對減少熱應力也有明顯幫助,原因為冷熱分體壓機在高溫下(GT溫度以上)將板件轉到冷壓機,材料在Tg點以上失壓并快速冷卻會導致熱應力迅速釋放產生變形,而冷熱一體壓機可實現熱壓末段降溫,避免板件在高溫下失壓。

同時,對于客戶特殊的需要,不可避免的會存在一些材料或者結構不對稱的板件,此時前文分析的由于CTE不同帶來的變形將會非常明顯,針對這種問題我們可以嘗試使用非對稱的疊板方式來解決,其原理為利緩沖材料的非對稱放置達到PCB板雙面升溫速度不一樣,從而影響不同CTE芯柏樹在升溫和降溫階段的漲縮來解決變形量不一致的問題。表4是在我司某款結構不對稱板件上的試驗結果。

通過不對稱疊法,以及壓合后增加后固化流程,并在出貨前進行校平操作,此板最終滿足客戶2.0mm的要求。

3.4 其他生產流程

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

除生產流程外,PCB板件在各工位的存儲也對變形有一定的影響,在一些廠家由于待產較多、場地狹小的原因,會將多架板堆放在一起存儲,這也會導致板件受外力變形,由于PCB板也有一定塑性,所以這些變形在后面的校平工序也不會得到100%的恢復。

3.5 出貨前校平

大多數PCB廠家在出貨前都會有校平流程,這是因為在加工過程中不可避免的會產生受熱或機械力產生的板件變形,在出貨前通過機械校平或熱烘校平可以得到有效改善。受阻焊以及表面涂覆層的耐熱性影響,一般烘板溫度在140℃~150℃以下,剛好超過普通材料Tg溫度,這對普通板的校平有很大好處,而對于高Tg材料的校平作用則沒那么明顯,所以在個別板翹嚴重的高Tg板上可以適當提高烘板溫度,但要主要油墨和涂覆層質量。同時烘板時壓重、增加隨爐冷卻時間的做法也對變形有一定改善作用,表5為不同壓重和爐冷時間對板件校平作用的試驗結果,從其中可以看到增加壓重和延長爐冷時間對變形的校平都有明顯作用。


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