克服PCB問(wèn)題，回流焊時(shí)板彎板翹，元件空焊、立碑等情況!
：2018-12-29
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在自動(dòng)化表面貼裝線上，電路板若不平整，會(huì)引起定位不準(zhǔn)，元器件無(wú)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?dòng)插裝機(jī)。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(jī)箱或機(jī)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(duì)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(biāo)準(zhǔn)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，為滿足高精度和高速度貼裝的需求，部分電子裝聯(lián)廠家對(duì)變形量的要求更加嚴(yán)格。
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，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制造商面臨的最復(fù)雜問(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，本文將對(duì)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(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。
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壓合材料、結(jié)構(gòu)、圖形對(duì)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：
銅箔的熱膨脹系數(shù)(CTE)和普通FR-4基材的熱膨脹系數(shù)(CTE)。
TG點(diǎn)以上為(250~350)X10-6，X向CTE由于玻璃布存在，一般與銅箔類似。
關(guān)于TG點(diǎn)的注釋：
高Tg印制板當(dāng)溫度升高到某一區(qū)域時(shí)，基板將由"玻璃態(tài)”轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;橡膠態(tài)”，此時(shí)的溫度稱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(xiàn)象，同時(shí)還表現(xiàn)在機(jī)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(xué)性、耐穩(wěn)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(yīng)用比較多。
高Tg指的是高耐熱性。隨著電子工業(yè)的飛躍發(fā)展，特別是以計(jì)算機(jī)為代表的電子產(chǎn)品，向著高功能化、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(xiàn)和發(fā)展，使PCB在小孔徑、精細(xì)線路化、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(qū)別：是在熱態(tài)下，特別是在吸濕后受熱下，其材料的機(jī)械強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)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(nèi)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(dāng)圖形分布與芯板厚度或者材料特性不同而不同，當(dāng)圖形分布比較均勻，材料類型一致，不會(huì)產(chǎn)生變形。當(dāng)PCB板層壓結(jié)構(gòu)存在不對(duì)稱或者圖形分布不均勻時(shí)會(huì)導(dǎo)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(jī)理可通過(guò)以下原理解釋：
圖1 普通半固化片動(dòng)粘度曲線
假設(shè)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1.5x10-5/℃，芯板長(zhǎng)度均為1000mm。在壓合過(guò)程作為粘結(jié)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，一般情況下，材料從90℃左右開(kāi)始流動(dòng)，并在達(dá)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℃)x1.5x10-5m/℃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(zhǎng)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(jié)合在一起.當(dāng)溫度下降時(shí)，如無(wú)層間樹(shù)脂束縛，芯板會(huì)回復(fù)至初始長(zhǎng)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(yīng)該收縮3.75mm，實(shí)際上當(dāng)收縮大于2.25mm時(shí)會(huì)受到A芯板的阻礙，為達(dá)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。
圖2 不同CTE芯板壓合過(guò)程中變形示意
根據(jù)上述分析可知
PCB板的層壓結(jié)構(gòu)、材料類型以及圖形分布是否均勻，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。
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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。
改善對(duì)策
那要如何才可以防止板子過(guò)回焊爐發(fā)生板彎及板翹的情形呢?
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。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
不同材料對(duì)板件變形的影響
將不同材料板件變形超標(biāo)缺陷率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)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(shí)在壓合以后的加工過(guò)程中，烘烤溫度最高150℃，對(duì)低Tg材料的影響肯定會(huì)大于中高Tg材料。
1 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，表2為兩種結(jié)構(gòu)板件的試驗(yàn)結(jié)果。
從表2可以看出兩種結(jié)構(gòu)變形不合格的缺陷率有明顯區(qū)別，可以理解為芯板壓合結(jié)構(gòu)由三張芯板組成，不同芯板間的漲縮以及應(yīng)力變化更復(fù)雜，更難以消除。
在工程設(shè)計(jì)，拼板邊框形式對(duì)變形也有較大影響，一般PCB工廠會(huì)存在連續(xù)大銅皮邊框和非連續(xù)的銅點(diǎn)或銅塊邊框，也有不同區(qū)別。
表3為兩種邊框設(shè)計(jì)板件的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果。之所以兩種邊框形式變形表現(xiàn)不同，是因?yàn)檫B續(xù)形銅皮邊框強(qiáng)度高，在壓合及拼板加工過(guò)程中剛性比較大，使板件內(nèi)殘余應(yīng)力不容易釋放，集中在外形加工后釋放，導(dǎo)致變形更嚴(yán)重。而非連續(xù)形銅點(diǎn)邊框則在壓合及后繼加工過(guò)程中逐步釋放應(yīng)力，在外形后單板變形較小。
以上為工程設(shè)計(jì)小涉及到的一些可能的影響因素，如能在設(shè)計(jì)時(shí)靈活運(yùn)用?？梢詼p少因設(shè)計(jì)帶來(lái)的變形影響。
2 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。
同時(shí)，對(duì)于客戶特殊的需要，不可避免的會(huì)存在一些材料或者結(jié)構(gòu)不對(duì)稱的板件，此時(shí)前文分析的由于CTE不同帶來(lái)的變形將會(huì)非常明顯，針對(duì)這種問(wèn)題我們可以嘗試使用非對(duì)稱的疊板方式來(lái)解決，其原理為利緩沖材料的非對(duì)稱放置達(dá)到PCB板雙面升溫速度不一樣，從而影響不同CTE芯柏樹(shù)在升溫和降溫階段的漲縮來(lái)解決變形量不一致的問(wèn)題。表4是在某款結(jié)構(gòu)不對(duì)稱板件上的試驗(yàn)結(jié)果。
通過(guò)不對(duì)稱疊法，以及壓合后增加后固化流程，并在出貨前進(jìn)行校平操作，此板最終滿足客戶2.0mm的要求。
3 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。
除生產(chǎn)流程外，PCB板件在各工位的存儲(chǔ)也對(duì)變形有一定的影響，在一些廠家由于待產(chǎn)較多、場(chǎng)地狹小的原因，會(huì)將多架板堆放在一起存儲(chǔ)，這也會(huì)導(dǎo)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(huì)得到100%的恢復(fù)。
4 出貨前校平
大多數(shù)PCB廠家在出貨前都會(huì)有校平流程，這是因?yàn)樵诩庸み^(guò)程中不可避免的會(huì)產(chǎn)生受熱或機(jī)械力產(chǎn)生的板件變形，在出貨前通過(guò)機(jī)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(guò)普通材料Tg溫度，這對(duì)普通板的校平有很大好處，而對(duì)于高Tg材料的校平作用則沒(méi)那么明顯，所以在個(gè)別板翹嚴(yán)重的高Tg板上可以適當(dāng)提高烘板溫度，但要主要油墨和涂覆層質(zhì)量。同時(shí)烘板時(shí)壓重、增加隨爐冷卻時(shí)間的做法也對(duì)變形有一定改善作用，表5為不同壓重和爐冷時(shí)間對(duì)板件校平作用的試驗(yàn)結(jié)果，從其中可以看到增加壓重和延長(zhǎng)爐冷時(shí)間對(duì)變形的校平都有明顯作用。
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