PCB板經(jīng)過(guò)回流焊時(shí)大多容易發(fā)生板彎板翹,嚴重的話(huà)甚至會(huì )造成元件空焊、立碑等情況,應如何克服呢?

1、PCB板變形的危害

在自動(dòng)化表面貼裝線(xiàn)上,電路板若不平整,會(huì )引起定位不準,元器件無(wú)法插裝或貼裝到板子的孔和表面貼裝焊盤(pán)上,甚至會(huì )撞壞自動(dòng)插裝機。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(wú)法裝到機箱或機內的插座上,所以,裝配廠(chǎng)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(zhù)高精度、高速度、智能化方向發(fā)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。

在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(méi)有表面貼裝的PCB板允許的最大變形量為1.5%。實(shí)際上,為滿(mǎn)足高精度和高速度貼裝的需求,部分電子裝聯(lián)廠(chǎng)家對變形量的要求更加嚴格,如我公司有多個(gè)客戶(hù)要求允許的最大變形量為0.5%,甚至有個(gè)別客戶(hù)要求0.3%。

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)生熱應力殘留,導致變形。同時(shí)在PCB的加工過(guò)程中,會(huì )經(jīng)過(guò)高溫、機械切削、濕處理等各種流程,也會(huì )對板件變形產(chǎn)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(wèn)題之一。

2、PCB板變形產(chǎn)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(gè)方面進(jìn)行研究,本文將對可能產(chǎn)生變形的各種原因和改善方法進(jìn)行分析和闡述。

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 )設計有大面積的銅箔來(lái)當作接地之用,有時(shí)候Vcc層也會(huì )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(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 )造成不同的應力而變形,這時(shí)候板子的溫度如果已經(jīng)達到了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點(diǎn)(vias,過(guò)孔)會(huì )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(huì )有向鉚釘一樣的連接點(diǎn)(vias),連結點(diǎn)又分為通孔、盲孔與埋孔,有連結點(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。

PCB板變形的原因:

(1)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 )因為本身的種量而呈現出中間凹陷的現象,造成板彎。

(2)V-Cut的深淺及連接條會(huì )影響拼板變形量

基本上V-Cut就是破壞板子結構的元兇,因為V-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。

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(shí)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(diǎn)下Z向CTE為(50~70)X10-6;

TG點(diǎn)以上為(250~350)X10-6,X向CTE由于玻璃布存在,一般與銅箔類(lèi)似。

關(guān)于TG點(diǎn)的注釋:

高Tg印制板當溫度升高到某一區域時(shí),基板將由”玻璃態(tài)”轉變?yōu)椤跋鹉z態(tài)”,此時(shí)的溫度稱(chēng)為該板的玻璃化溫度(Tg)。也就是說(shuō),Tg是基材保持剛性的最高溫度(℃)。也就是說(shuō)普通PCB基板材料在高溫下,不但產(chǎn)生軟化、變形、熔融等現象,同時(shí)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印制線(xiàn)路板,稱(chēng)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(xué)性、耐穩定性等特征都會(huì )提高和改善。TG值越高,板材的耐溫度性能越好,尤其在無(wú)鉛制程中,高Tg應用比較多。

高Tg線(xiàn)路板板材指的是高耐熱性。隨著(zhù)電子工業(yè)的飛躍發(fā)展,特別是以計算機為代表的電子產(chǎn)品,向著(zhù)高功能化、高多層化發(fā)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(shù)的出現和發(fā)展,使PCB在小孔徑、精細線(xiàn)路化、薄型化方面,越來(lái)越離不開(kāi)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(tài)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(chǎn)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(lèi)型一致,不會(huì )產(chǎn)生變形。當PCB板層壓結構存在不對稱(chēng)或者圖形分布不均勻時(shí)會(huì )導致不同芯板的CTE差異較大,從而在壓合過(guò)程中產(chǎn)生變形。其變形機理可通過(guò)以下原理解釋。

假設有兩種CTE相差較大的芯板通過(guò)半固化片壓合在一起,其中A芯板CTE為1.5×10-5/℃,芯板長(cháng)度均為1000mm。在壓合過(guò)程作為粘結片的半固化片,則經(jīng)過(guò)軟化、流動(dòng)并填充圖形、固化三個(gè)階段將兩張芯板粘合在一起。

圖1為普通FR-4樹(shù)脂在不同升溫速率下的動(dòng)粘底曲線(xiàn),一般情況下,材料從90℃左右開(kāi)始流動(dòng),并在達到TG點(diǎn)以上開(kāi)始交聯(lián)固化,在固化之前半固化片為自由狀態(tài),此時(shí)芯板和銅箔處在受熱后自由膨脹狀態(tài),其變形量可以通過(guò)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(shí)兩種芯板變形量分別為

△LA=(180℃~30℃)x1.5×10-5m/℃X1000mm=2.25mm

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

此時(shí)由于半固化尚在自由狀態(tài),兩種芯板一長(cháng)一短,互不干涉,尚未發(fā)生變形。

見(jiàn)圖2,壓合時(shí)會(huì )在高溫下保持一段時(shí)間,直到半固化完全固化,此時(shí)樹(shù)脂變成固化狀態(tài),不能隨意流動(dòng),兩種芯板結合在一起.當溫度下降時(shí),如無(wú)層間樹(shù)脂束縛,芯板會(huì )回復至初始長(cháng)度,并不會(huì )產(chǎn)生變形,但實(shí)際上兩張芯板在高溫時(shí)已經(jīng)被固化的樹(shù)脂粘合,在降溫過(guò)程中不能隨意收縮,其中A芯板應該收縮3.75mm,實(shí)際上當收縮大于2.25mm時(shí)會(huì )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(huì )大于2.25mm,從而使整板向B芯板方向變曲,如圖2所示。

不同CTE芯板壓合過(guò)程中變形示意

根據上述分析可知,PCB板的層壓結構、材料類(lèi)型已經(jīng)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(guò)程中的漲縮差異會(huì )通過(guò)半固化片的固片過(guò)程而被保留并最終形成PCB板的變形。

2.2PCB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(chǎn)生于壓合過(guò)程中,機械應力主要產(chǎn)生板件堆放、搬運、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,結構對稱(chēng),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,覆銅板壓機尺寸大,熱盤(pán)不同區域存在溫差,會(huì )導致壓合過(guò)程中不同區域樹(shù)脂固化速度和程度有細微差異,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)的局部應力。一般這種應力會(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)生熱應力的主要流程,其中由于材料或結構不同產(chǎn)生的變形見(jiàn)上一節的分析。與覆銅板壓合類(lèi)似,也會(huì )產(chǎn)生固化過(guò)程差異帶來(lái)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(huì )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(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,結構又不均勻,在冷熱過(guò)程中必然會(huì )出現熱應力,導致微觀(guān)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(guò)程中堆疊放板等都會(huì )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重。

除以上因素以外,影響PCB板變形的因素還有很多。

3、PCB板翹曲變形的預防

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(guò)程中的重要問(wèn)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(wú)法裝到機箱或機內的插座上,所以,電路板翹曲會(huì )影響到整個(gè)后序工藝的正常運作?，F階段印制電路板已進(jìn)入到表面安裝和芯片安裝的時(shí)代,工藝對電路板翹曲的要求可謂是越來(lái)越高。所以我們要找到半路幫翹曲的原因。

1.工程設計:印制板設計時(shí)應注意事項:A.層間半固化片的排列應當對稱(chēng),例如六層板,1～2和5～6層間的厚度和半固化片的張數應當一致,否則層壓后容易翹曲。B.多層板芯板和半固化片應使用同一供應商的產(chǎn)品。C.外層A面和B面的線(xiàn)路圖形面積應盡量接近。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(shí)間8±2小時(shí))目的是去除板內的水分,同時(shí)使板材內的樹(shù)脂完全固化,進(jìn)一步消除板材中剩余的應力,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(chǎng)例外,目前各PCB廠(chǎng)烘板的時(shí)間規定也不一致,從4-10小時(shí)都有,建議根據生產(chǎn)的印制板的檔次和客戶(hù)對翹曲度的要求來(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。內層板亦應烘板。

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(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。如何區分經(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(lái)說(shuō)長(cháng)邊時(shí)緯向,短邊是經(jīng)向,如不能確定可向生產(chǎn)商或供應商查詢(xún)。

4.層壓后除應力: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150攝氏度烘4小時(shí),以使板內的應力逐漸釋放并使樹(shù)脂完全固化,這一步驟不可省略。

5.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,而且難以補救。

6.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(chǎng)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,幾秒鐘后取出在進(jìn)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。另外設備上可加裝氣浮床來(lái)進(jìn)行冷卻。

7.翹曲板子的處理:管理有序的工廠(chǎng),印制板在最終檢驗時(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,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。上海華堡代理的氣壓式板翹反直機經(jīng)上海貝爾的使用在補救線(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,只能報廢。

4、PCB板翹曲變標準

PCB板翹標準請參考IPC-A-600G第2.11平整度標準:對于表面安裝元件(如SMT貼裝)的印制板其扭曲和弓曲標準為不大于0.75%,其它類(lèi)型的板為不大于1.5%。測試方法參考IPC-TM-6502.4.22。