SMT電路板PCB翹曲度的原因及解決辦法

為了正確放置SMT組件，PCB必須保持完全平整。為了準(zhǔn)確放置，貼片機(jī)必須將SMT組件釋放到所有組件的電路板上方相同高度。

如果PCB有翹曲，也就是說(shuō)不平整，則機(jī)器在將元件放置在電路板上時(shí)，在釋放元件時(shí)無(wú)法保持恒定的高度——這會(huì)影響放置的準(zhǔn)確性，尤其是對(duì)于細(xì)間距元件。

此外，平面PCB有助于在回流期間將SMT組件保持在適當(dāng)?shù)奈恢谩Ｈ绻亓鳡t內(nèi)的高溫導(dǎo)致電路板平整度發(fā)生變化，則SMT組件可能會(huì)因?yàn)樗鼈兤≡谌廴诤噶仙隙鑫恢?，從而?dǎo)致焊料橋接和開(kāi)路。

一、什么是PCB翹曲？

PCB通常由玻璃纖維和其他一些復(fù)合材料制成，大多數(shù)PCB僅層壓一次并且非常簡(jiǎn)單。

PCB翹曲就是PCB形狀改變了，具體的如下圖所示，很明顯的PCB翹曲。

PCB翹曲

二、PCB翹曲標(biāo)準(zhǔn)是多少？

根據(jù)IPS標(biāo)準(zhǔn)，所需貼裝PCB的翹曲度（WD）應(yīng)小于或等于0.75%。也就是說(shuō)，當(dāng)WD大于0.75%時(shí)，應(yīng)判斷為翹板，或缺陷產(chǎn)品。

實(shí)際上，在不安裝元件而只需要插件的情況下，板的平整度要求更低，WD標(biāo)準(zhǔn)可以小于或等于1.5%。

當(dāng)然，有些廠(chǎng)家為了滿(mǎn)足更高的客戶(hù)需求，他們可以追求更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，有些WD標(biāo)準(zhǔn)需要小于或等于0.5%，甚至這個(gè)要求達(dá)到小于或等于0.3%。

三、PCB翹曲度的計(jì)算公式

翹曲，顧名思義，就是PCB印制板是否平整，能否完美地插入板子的孔洞和表面貼裝焊盤(pán)中。

翹曲通常是指塑件表面未按設(shè)計(jì)形狀成型的變形。影響翹曲的因素很多，所以在生產(chǎn)過(guò)程中一定要注意。畢竟，每一個(gè)微小的錯(cuò)誤都可能使整個(gè)電路板報(bào)廢。那么如何計(jì)算PCB的翹曲？

PCB翹曲度計(jì)算公式：

翹曲=單角翹曲高度/(PCB對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度*2)*100%

PCB翹曲度計(jì)算公式

在自動(dòng)插線(xiàn)中，如果PCB不平整，會(huì)造成定位不準(zhǔn)，甚至?xí)?dǎo)致自動(dòng)插機(jī)死機(jī)。如果在元件焊接后板子彎曲，非常難以整齊地切割元件腳，最終會(huì)導(dǎo)致PCB電路板無(wú)法安裝在機(jī)箱或機(jī)器中的插座中，相當(dāng)于報(bào)廢了一個(gè)一塊電路板。如果廠(chǎng)家遇到PCB翹曲就是一件很心疼的事情。

四、PCB翹曲原因

1、PCB翹曲原因

1）電路板本身的重量會(huì)導(dǎo)致板子凹陷變形

一般回流爐是用鏈條帶動(dòng)電路板在回流爐內(nèi)向前移動(dòng)，即以板子兩側(cè)為支點(diǎn)支撐整塊板子。

如果板子上有重物，或者板子尺寸過(guò)大，由于板子的量，中間會(huì)出現(xiàn)凹陷，導(dǎo)致板子彎曲。

2）V-cut太深，導(dǎo)致兩側(cè)V-cut處翹曲

基本上，V-Cut是破壞板子結(jié)構(gòu)的罪魁禍?zhǔn)?，因?yàn)閂-Cut在原大片材上切槽，所以V-Cut容易翹曲。

材料、結(jié)構(gòu)、圖形對(duì)板翹曲的影響：PCB由芯板、半固化片和外層銅箔壓制而成。芯板和銅箔在壓在一起時(shí)會(huì)因熱而變形。翹曲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）約為17X10-6；而普通FR-4基材Tg點(diǎn)下Z向CTE為(5070)X10-6；TG點(diǎn)以上為(250350)X10-6，由于玻璃布的存在，X方向CTE一般與銅箔相近。

2、PCB加工過(guò)程中引起的翹曲

PCB加工翹曲的原因很復(fù)雜，可以分為熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力。

其中，熱應(yīng)力主要在壓制過(guò)程中產(chǎn)生，機(jī)械應(yīng)力主要在板材的堆垛、搬運(yùn)和烘烤過(guò)程中產(chǎn)生。

1）來(lái)料覆銅板過(guò)程中引起的PCB翹曲

覆銅板均為雙面，結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，無(wú)圖形。銅箔和玻璃布的CTE幾乎相同，因此在壓制過(guò)程中幾乎沒(méi)有因CTE不同而引起的翹曲。

但覆銅板壓機(jī)尺寸較大，熱板不同區(qū)域的溫差會(huì)導(dǎo)致壓合過(guò)程中不同區(qū)域的樹(shù)脂固化速度和固化程度略有差異。同時(shí)，不同升溫速率下的動(dòng)態(tài)粘度也有較大差異，因此也會(huì)因固化過(guò)程的不同而產(chǎn)生局部應(yīng)力。

一般這種應(yīng)力在壓制后會(huì)保持平衡，但在以后的加工過(guò)程中會(huì)逐漸釋放和變形。

2）PCB壓制過(guò)程中引起的PCB翹曲

PCB壓制過(guò)程是產(chǎn)生熱應(yīng)力的主要過(guò)程。與覆銅板的壓制類(lèi)似，也會(huì)因固化工藝的不同而產(chǎn)生局部應(yīng)力。由于厚度較厚，圖案分布多樣，預(yù)浸料較多，熱應(yīng)力會(huì)比覆銅板更難消除。

PCB板中的應(yīng)力在隨后的鉆孔、成型或燒烤過(guò)程中釋放，導(dǎo)致板變形。

3）阻焊層和絲印烘烤過(guò)程中引起的PCB翹曲

由于在固化過(guò)程中阻焊油墨不能相互堆疊，PCB板將放置在機(jī)架中烘烤板固化。

阻焊溫度在150℃左右，超過(guò)覆銅板的Tg值，PCB容易軟化導(dǎo)致不能耐高溫。造商必須均勻加熱基板的兩面，同時(shí)保持加工時(shí)間盡可能短，以減少基板的翹曲。

PCB翹曲

4）PCB冷卻和加熱過(guò)程中引起的PCB翹曲

錫爐溫度225℃-265℃，普通板熱風(fēng)焊料整平時(shí)間3s-6s。熱風(fēng)溫度為280℃-300℃。

焊料整平后，板子從常溫下放入錫爐，出爐后兩分鐘內(nèi)進(jìn)行常溫后處理水洗。整個(gè)熱風(fēng)焊錫整平過(guò)程是一個(gè)突然加熱和冷卻的過(guò)程。

由于電路板的材料不同，結(jié)構(gòu)不均勻，在冷卻和加熱過(guò)程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)熱應(yīng)力，導(dǎo)致微觀(guān)應(yīng)變和整體變形翹曲區(qū)域。

5）儲(chǔ)存不當(dāng)造成的PCB翹曲

PCB板在半成品階段的存放，一般都是牢固地插在貨架上，貨架的松緊度沒(méi)有調(diào)整好，或者存放過(guò)程中板子的堆放會(huì)導(dǎo)致板子發(fā)生機(jī)械變形。

尤其是2.0mm以下的薄板，影響更為嚴(yán)重。

3、工程設(shè)計(jì)的原因

1、電路板上的銅表面積不均勻，一側(cè)多，另一側(cè)少。線(xiàn)條稀疏的地方，表面張力會(huì)比密集的地方弱，溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致板翹曲。

2、由于特殊的介質(zhì)或阻抗關(guān)系，層壓結(jié)構(gòu)可能不對(duì)稱(chēng)，導(dǎo)致板子翹曲。

3、板子本身的鏤空位置太大而且很多，溫度太高容易翹曲。

4、板上的面板數(shù)量過(guò)多，面板之間的間距是空心的，尤其是矩形板，也容易翹曲。

五、PCB翹曲怎么改善？

1、PCB設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)

1）板內(nèi)鋪銅，增加版面張力。

當(dāng)板長(zhǎng)80mm以上無(wú)銅，板厚小于1.0mm時(shí)，會(huì)導(dǎo)致板翹。

銅前

如果板子不能壓合，又不能加厚，就采用重壓翹板。

鍍銅后

2）鏤空區(qū)域覆銅，加上工藝

當(dāng)板子空心位置太多，板子太大時(shí)，回流焊后容易彎曲。

在PCB的制造過(guò)程中，所有介電層之間分布均勻。然而，正是銅層分布不均勻?qū)е翽CB翹曲發(fā)生。為防止翹曲，設(shè)計(jì)工程師必須平衡電路板每一層上的銅圖案與電路面積。設(shè)計(jì)工程師還必須平衡元件布局、裝配分布和熱分布以減少翹曲。

鏤空區(qū)域覆銅，加上工藝

例如，如果最外面的頂面有一個(gè)大的銅表面，而最外面的底面只有很少的銅跡線(xiàn)，那么PCB在蝕刻后將有更大的翹曲趨勢(shì)。設(shè)計(jì)工程師必須確保兩個(gè)外層的線(xiàn)圖案面積盡可能匹配。如果兩側(cè)的銅面積差異很大，則設(shè)計(jì)人員最好在薄側(cè)添加一個(gè)單獨(dú)的銅網(wǎng)格以平衡兩者。

鍍銅前

建議：在鏤空區(qū)域鍍銅，減少板子翹曲；另外，如果板子內(nèi)部不影響功能，也要鋪銅；最后一個(gè)建議是加工藝邊，邊工藝邊鋪銅。

鍍銅后

3）芯板與PP板為同一品牌

多層板的芯板和PP板必須是同一品牌，否則板子會(huì)翹曲。

比如6層板的pp片材不對(duì)稱(chēng)：2-3芯板的pp片材薄，4-5芯板的pp片材厚，這樣一壓就翹了被壓了出來(lái)。因此，芯板和PP片材必須是同一品牌，以保證厚度一致，保證多層板PP片材的對(duì)稱(chēng)性。

4）層預(yù)浸料的排列保持對(duì)稱(chēng)

制造商必須確保層間預(yù)浸料的排列保持對(duì)稱(chēng)。例如，對(duì)于六層板，1-2層和5-6層之間的厚度最好相同，包括預(yù)浸料片的數(shù)量。這將防止層壓后翹曲。

層預(yù)浸料的排列保持對(duì)稱(chēng)

2、PCB加工過(guò)程中的注意事項(xiàng)

1）切割前的PCB

覆銅板切割前對(duì)PCB進(jìn)行烘烤（150℃，時(shí)間8±2小時(shí)）的目的是為了去除板子中的水分，同時(shí)使板子中的樹(shù)脂完全固化，進(jìn)一步消除電路板中的剩余應(yīng)力，這對(duì)于防止電路板翹曲很有用。

目前，很多雙面、多層板仍堅(jiān)持下料前或下料后的烘烤步驟。但是，有些板廠(chǎng)也有例外。目前PCB廠(chǎng)的烘干時(shí)間也不一致，4-10小時(shí)不等。建議根據(jù)生產(chǎn)的印制板等級(jí)和客戶(hù)對(duì)翹曲的要求來(lái)決定。

整塊烤好后切割成拼圖或下料后再烤，兩種方法都是可行的。建議切割后烤板，內(nèi)板也應(yīng)該烤。

2）預(yù)浸料的經(jīng)緯度

預(yù)浸料貼合后，經(jīng)緯向收縮率不同，落料和貼合時(shí)必須區(qū)分經(jīng)緯向，否則容易造成成品板貼合后翹曲，即使對(duì)烤板施加壓力也難以矯正。

造成多層板翹曲的原因很多是由于層壓時(shí)預(yù)浸料在經(jīng)緯方向上沒(méi)有區(qū)分，隨意堆放。

如何區(qū)分經(jīng)緯度？軋制預(yù)浸料的軋制方向?yàn)榻?jīng)向，寬度方向?yàn)榫曄?；?duì)于銅箔板，長(zhǎng)邊為緯向，短邊為經(jīng)向。如果你不確定，可以向制造商或供應(yīng)商查詢(xún)。

3）貼合后應(yīng)力消除

多層板經(jīng)過(guò)熱壓和冷壓后，取出、切割或銑掉毛刺，然后平放在150℃的烤箱中4小時(shí)，逐漸釋放板內(nèi)應(yīng)力并使樹(shù)脂完全固化，這一步不能省略。

4）薄板在電鍍時(shí)需要矯直

0.4～0.6mm超薄多層板用于表面電鍍和圖案電鍍時(shí)，應(yīng)制作專(zhuān)用夾輥。在自動(dòng)電鍍線(xiàn)上將薄板夾在夾輥上后，用圓棒夾住整個(gè)夾輥。將滾輪串在一起，將滾輪上的所有板材拉直，使電鍍后的板材不會(huì)變形。

沒(méi)有這個(gè)措施，電鍍20到30um的銅層后，板材會(huì)彎曲，很難補(bǔ)救。

5）熱風(fēng)整平后板子的冷卻

PCB用熱風(fēng)整平時(shí)，會(huì)受到焊錫槽的高溫（約250℃）的影響。取出后應(yīng)放在平整的大理石或鋼板上自然冷卻，然后送至后處理機(jī)進(jìn)行清洗，這有利于防止電路板翹曲。

有的工廠(chǎng)為了提高鉛錫面的亮度，熱風(fēng)整平后立即將板子放入冷水中，幾秒鐘后取出進(jìn)行后處理。這種冷熱沖擊可能會(huì)導(dǎo)致某些類(lèi)型的電路板翹曲。扭曲、分層或起泡。

此外，可在設(shè)備上安裝氣浮床進(jìn)行冷卻。

六、PCB翹曲修復(fù)方法

1、PCB工序中PCB翹曲修復(fù)

在PCB工序中，翹曲比較大的板材通過(guò)輥式整平機(jī)挑出整平，然后進(jìn)入下一道工序。許多PCB制造商認(rèn)為這種做法對(duì)于降低PCB成品板的翹曲率是有效的。

2、PCB成品板翹曲修復(fù)

對(duì)于成品，翹曲明顯超差，不能用輥式整平機(jī)整平。一些PCB廠(chǎng)將其放入小型壓力機(jī)（或類(lèi)似夾具）中以壓制翹曲的PCB板，停留幾個(gè)小時(shí)到十個(gè)小時(shí)進(jìn)行冷壓整平，從實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，這種做法的效果并不是很明顯。一是整平效果不大，二是壓平后的板子容易回彈（即翹曲恢復(fù)）。

有的PCB廠(chǎng)會(huì)把小壓機(jī)加熱到一定溫度，再對(duì)壓平的PCB板進(jìn)行熱壓，效果會(huì)比冷壓好，但壓力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致線(xiàn)材變形；如果溫度過(guò)高會(huì)產(chǎn)生松香變色及其變色等缺陷。而且，無(wú)論是冷壓整平還是熱壓整平，都需要很長(zhǎng)時(shí)間（幾個(gè)小時(shí)到十幾個(gè)小時(shí)）才能看到效果，壓平后的PCB板翹曲反彈比例也很高。

這里推薦了弓形模具的熱沖壓壓平方法。根據(jù)要平整的PCB面積，使用簡(jiǎn)單的弓形模具（見(jiàn)圖1）。這里，提出了兩種類(lèi)型的調(diào)平操作。

1）將翹曲的PCB板夾入弓形模具，放入烤箱烘烤整平方法：

翹曲的PCB板彎曲面對(duì)模具的曲面，調(diào)整夾具螺絲使PCB板向反方向變形翹曲，然后將帶有PCB板的模具放入烤箱中加熱到一定溫度進(jìn)行烘烤，烤一會(huì)兒。在加熱條件下，基板應(yīng)力逐漸松弛，變形的PCB板恢復(fù)到平整狀態(tài)。但烘烤溫度不宜過(guò)高，以免松香變色或基材變黃。但溫度不宜過(guò)低，在較低溫度下完全松弛應(yīng)力需要較長(zhǎng)時(shí)間。

一般可以將基材的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度作為烘烤的參考溫度，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是樹(shù)脂的相變點(diǎn)，在此溫度下聚合物鏈段可以重新排列，使基材應(yīng)力充分松弛。

因?yàn)槠秸Ч苊黠@，用弓形模具壓扁的好處是投資很小。烤箱都可以在PCB工廠(chǎng)獲得。調(diào)平操作非常簡(jiǎn)單。如果翹板數(shù)量比較多，做幾個(gè)弓形模具就夠了。你可以將它們放入烤箱一次。模具少，干燥時(shí)間比較短（幾十分鐘左右），所以整平工作效率比較高。

2）將PCB板軟化后夾入弓形模具壓平方法：

對(duì)于翹曲變形比較小的PCB板，可以將待整平的PCB板放入已經(jīng)加熱到一定溫度的烘箱中（即溫度設(shè)定可參照基材的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度確定，基材在烘箱中烘烤一定時(shí)間，觀(guān)察軟化情況確定。一般玻璃纖維布基材的烘烤溫度較高，紙基板的烘烤溫度可以低一些；厚板的烘烤溫度可以略高一些，薄板的烘烤溫度可以略低一些。

噴過(guò)松香的PCB板，烘烤溫度不宜過(guò)高。烘烤一定時(shí)間，然后取幾張到十幾張，夾入弓形模具，調(diào)整壓力螺絲，并使PCB板輕微翹曲，反方向變形。板子冷卻定型后，即可卸模，取出壓平的PCB板。

弓模壓平后PCB板翹曲低；即使經(jīng)過(guò)波峰焊后也基本可以保持平整狀態(tài)；對(duì)PCB板外觀(guān)顏色的影響也很小。

PCB板翹曲是PCB制造商頭疼的問(wèn)題。它不僅降低了產(chǎn)量，而且影響了交貨時(shí)間。如果采用弧形模具進(jìn)行熱整平，且整平工藝合理合適，可以將翹曲的PCB板整平，解決交貨期問(wèn)題。

以上就是關(guān)于PCB翹曲、PCB翹曲原因及解決方法的簡(jiǎn)單介紹，希望能夠?qū)Υ蠹矣杏?，歡迎大家多多指教。