PCB板變形的原因 如何防止電路板彎曲和翹曲

當(dāng)印刷電路板進(jìn)行回流焊接時(shí)， 它們中的大多數(shù)容易出現(xiàn)電路板彎曲和翹曲。在嚴(yán)重的情況下，它甚至可能導(dǎo)致諸如空焊和墓碑之類的組件。如何克服它？

1.電路板變形

的危害 在自動(dòng)化表面貼裝線中，如果電路板不平整，會(huì)導(dǎo)致定位不準(zhǔn)確，元件無法插入或安裝在板的孔和表面貼裝墊上，甚至自動(dòng)插入機(jī)也會(huì)損壞。安裝元件的電路板焊接后彎曲，元件腳難以整齊切割。主板不能安裝在機(jī)箱或機(jī)器內(nèi)部的插座上。因此，組裝廠遇到電路板翹曲。這很煩人。目前的表面貼裝技術(shù)正朝著高精度、高速、智能化的方向發(fā)展，對容納各種元器件的電路板提出了更高的平面度要求。在IPC標(biāo)準(zhǔn)中， 特別指出，帶表面貼裝器件的電路板的允許變形為0.75%，沒有表面貼裝的PCB板的允許變形為1.5%。為了滿足高精度和高速貼裝的要求，一些電子組裝制造商對變形量有更嚴(yán)格的要求。PCB板由銅箔、樹脂、玻璃布等材料組成。每種材料的物理和化學(xué)性質(zhì)都不同。壓在一起后，不可避免地會(huì)發(fā)生熱應(yīng)力，從而導(dǎo)致變形。同時(shí)， 在PCB加工過程中， 它會(huì)經(jīng)過高溫， 機(jī)械切割， 濕法處理， 等等。各種工藝也會(huì)對板的變形產(chǎn)生重要影響。簡而言之， PCB板變形的原因復(fù)雜多樣。如何減少或消除由于不同材料特性或加工而引起的變形已成為PCB板制造商面臨的復(fù)雜問題之一。一。

2.變形

原因分析 PCB板的變形需要從材料等幾個(gè)方面進(jìn)行研究， 結(jié)構(gòu)， 圖案分布， 加工工藝， 等等。本文將分析和解釋可能導(dǎo)致變形的各種原因和改進(jìn)方法。電路板上不均勻的銅表面積會(huì)加劇電路板的彎曲和翹曲。通常，電路板上設(shè)計(jì)大面積的銅箔用于接地，有時(shí)Vcc層也會(huì)有大面積的銅箔。當(dāng)這些大面積銅箔不均勻分布在同一塊電路板上時(shí)， 會(huì)導(dǎo)致吸熱和散熱不均勻。當(dāng)然， 電路板也會(huì)擴(kuò)展。冷收縮。如果不能同時(shí)進(jìn)行膨脹和收縮，則會(huì)引起不同的應(yīng)力和變形。此時(shí)，如果板的溫度已達(dá)到Tg值的上限，則板將打開。開始軟化，導(dǎo)致變形。電路板上每一層的連接點(diǎn) （過孔， 通孔） 將限制電路板的膨脹和收縮。今天的電路板大多是多層板， 層之間有像鉚釘一樣的連接點(diǎn)（過孔）， 連接點(diǎn)又分為通孔， 盲孔和埋孔， 哪里有連接點(diǎn)， 板的膨脹和收縮效果會(huì)受到限制， 并且還會(huì)間接導(dǎo)致電路板彎曲和翹曲。板的重量會(huì)導(dǎo)致板凹陷和變形。通常，回流爐在回流爐中會(huì)用鏈條帶動(dòng)電路板向前，即以板的兩側(cè)為支點(diǎn)來支撐整個(gè)板。如果板上有重部件， 或者如果板的尺寸太大， 由于板本身的數(shù)量，它會(huì)在中間顯示凹陷， 導(dǎo)致板彎曲.V-Cut的深度和連接桿的視頻基本上，V-Cut是破壞電路板結(jié)構(gòu)的罪魁禍?zhǔn)?。由于V-Cut在原來的大板材上切割凹槽，所以V-Cut的位置容易變形。

2.1 材料、結(jié)構(gòu)、圖形對板材

變形的影響分析 PCB板是通過壓制芯板和預(yù)浸料以及外銅箔而形成的。芯板和銅箔在壓制時(shí)被加熱并變形。變形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）為左右，而普通FR-4基板在Tg點(diǎn)以下的Z方向CTE;TG點(diǎn)以上為（250~350）X10-6，而X方向CTE是由于玻璃布的存在，一般與銅箔相似。TG點(diǎn)注意事項(xiàng)：當(dāng)高Tg印制板的溫度上升到一定區(qū)域時(shí)，基板會(huì)從“玻璃狀”變?yōu)椤跋鹉z狀”，此時(shí)的溫度稱為板的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）。也就是說，Tg是基材保持剛性的溫度（°C）。換句話說， 普通的PCB板基板材料不僅會(huì)軟化， 變形， 熔化， 等等， 在高溫。同時(shí)，它還表現(xiàn)為機(jī)械和電氣特性的急劇下降。一般來說，Tg of 板大于130度，高Tg一般大于170度，中Tg大于150度左右。通常Tg≥170°C的PCB印制板稱為高Tg印制板。隨著基板Tg的增加，印制板的耐熱性、耐濕性、耐化學(xué)性、穩(wěn)定性等特性將得到改善和提高。TG值越高，電路板的耐溫性越好，特別是在無鉛工藝中，高Tg應(yīng)用更為常見。高Tg是指高耐熱性。隨著電子工業(yè)的快速發(fā)展，尤其是以計(jì)算機(jī)為代表的電子產(chǎn)品，高功能性、高多層層的發(fā)展要求PCB板基板材料具有更高的耐熱性作為重要保證。具有代表性的高密度貼裝技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，使得PCB板在小孔徑、細(xì)線、薄化等方面越來越離不開

基板高耐熱性的支撐。因此，一般FR-4與高Tg FR-4的區(qū)別在于材料在熱狀態(tài)下的機(jī)械強(qiáng)度，尺寸穩(wěn)定性，附著力，吸水性和熱分解性，特別是在吸濕后加熱時(shí)。在擴(kuò)張等各種條件下存在差異。高Tg產(chǎn)品明顯優(yōu)于普通PCB板基板材料。由于圖案分布與芯板厚度或材料特性之間的差異，具有內(nèi)層圖案的芯板的擴(kuò)展是不同的。當(dāng)圖案分布與芯板的厚度或材料特性不同時(shí)，就會(huì)有所不同。當(dāng)圖案分布相對均勻時(shí)，材料類型相同。它會(huì)變形。PCB板層壓結(jié)構(gòu)的不對稱或不均勻的圖案分布會(huì)導(dǎo)致不同芯板的CTE差異很大，導(dǎo)致層壓過程中變形。變形機(jī)理可以用以下原理來解釋。假設(shè)有兩塊CTE差異較大的芯板被預(yù)浸料壓在一起，其中A芯板CTE為1.5x10-5/攝氏度，芯板長度為1000mm。壓制工藝用作粘接片的預(yù)浸料，將兩塊芯板通過軟化、流動(dòng)和填充圖形和固化三個(gè)階段粘合在一起。此時(shí)，兩塊芯板的變形分別為△LA=（180攝氏度~30攝氏度）x1.5x10-5m/攝氏度X1000mm=2.25mm;△LB=（180攝氏度~30攝氏度）X2.5X10-5米/攝氏度X1000毫米=3.75毫米。在自由狀態(tài)下，兩塊芯板長而短，互不干擾，尚未變形。在壓制過程中，它將在高溫下保持一段時(shí)間，直到半固化完全固化。此時(shí)，樹脂變?yōu)楣袒癄顟B(tài)，不能隨意流動(dòng)。兩個(gè)核心板組合在一起。當(dāng)溫度下降時(shí)，如果沒有層間樹脂結(jié)合，芯板將恢復(fù)到原來的長度而不變形。上兩塊芯板在高溫下被固化樹脂粘合，在冷卻過程中不能隨意收縮。A公司RE 板應(yīng)縮小 3.75 毫米。實(shí)際上，當(dāng)收縮率大于2.25mm時(shí)，就會(huì)

受到A芯板的阻礙。兩塊芯板之間的力是平衡的，B芯板不能收縮到3.75mm，A芯板收縮超過2.25mm，使整個(gè)板面向B芯板。

2.2 PCB加工過程中引起的變形 PCB板加工

過程中變形的原因非常復(fù)雜，可分為兩類應(yīng)力：熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力。其中，熱應(yīng)力主要在壓制過程中產(chǎn)生，機(jī)械應(yīng)力主要在板材的堆疊，搬運(yùn)和烘烤過程中產(chǎn)生。以下是按流程順序進(jìn)行的簡要討論。來料覆銅板：覆銅板均為雙面，結(jié)構(gòu)對稱，無圖形。銅箔和玻璃布的CTE幾乎相同，因此在壓制過程中幾乎沒有CTE差異引起的變形。但是，覆銅壓機(jī)的尺寸較大，并且熱板的不同區(qū)域存在溫差，這會(huì)導(dǎo)致壓制過程中不同區(qū)域的樹脂固化速度和程度略有不同，并且溫度升高不同。不同速度下的動(dòng)態(tài)粘度也存在很大差異，因此由于固化過程的差異也會(huì)產(chǎn)生局部應(yīng)力。通常，這種應(yīng)力在壓制后會(huì)保持平衡，但在以后的加工中會(huì)逐漸釋放和變形。

壓制： PCB板壓制過程是產(chǎn)生熱應(yīng)力的主要過程。由不同材料或結(jié)構(gòu)引起的變形顯示在上一節(jié)的分析中。與覆銅板的壓制類似，也會(huì)出現(xiàn)由固化過程差異引起的局部應(yīng)力。PCB板比覆銅板具有更多的熱應(yīng)力， 因?yàn)楹穸雀瘢?圖案分布多樣化， 和更多的預(yù)浸料.PCB板中的應(yīng)力在隨后的鉆孔過程中釋放， 成型， 或燒烤過程， 導(dǎo)致電路板變形。

阻焊層的烘烤過程， 字符， 等： 由于阻焊油墨在固化時(shí)不能堆疊在一起， PCB板將被放置在機(jī)架中進(jìn)行固化。阻焊層溫度約為150°C，剛好超過中低Tg材料的Tg點(diǎn)。Tg點(diǎn)以上的樹脂彈性高，板材在自身重量或烘箱強(qiáng)風(fēng)的作用下容易變形。

熱風(fēng)焊錫流平：錫爐溫度為225攝氏度~265攝氏度，普通板熱風(fēng)焊錫流平時(shí)時(shí)間為3S-6S。熱空氣的溫度為280攝氏度~300攝氏度。焊料調(diào)平后，電路板從室溫進(jìn)入錫爐，出爐后兩分鐘內(nèi)進(jìn)行室溫后處理水洗。整個(gè)熱風(fēng)焊料流平過程是一個(gè)突然加熱和冷卻的過程。

由于電路板的材料不同， 結(jié)構(gòu)不均勻。在此過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致微觀應(yīng)變和整體變形翹曲區(qū)。

存儲(chǔ)： PCB板在半成品階段的存儲(chǔ)一般牢固地插入貨架， 貨架松緊度沒有適當(dāng)調(diào)整， 或者存儲(chǔ)過程中板的堆疊會(huì)導(dǎo)致板的機(jī)械變形。特別是對于2.0mm以下的薄板，沖擊更為嚴(yán)重。除了上述因素， 影響PCB板變形的因素很多。

3. 改進(jìn)措施

那么當(dāng)PCB板通過回流爐時(shí)，我們?nèi)绾畏乐闺娐钒鍙澢吐N曲呢？

1）減少溫度對板材應(yīng)力的影響：由于溫度是板材的主要應(yīng)力，只要降低回流爐的溫度或放慢回流爐中板材的加熱和冷卻速度，就可以大大降低彎曲和板材。發(fā)生了翹曲的情況。但可能還有其他副作用。

2）使用高Tg板：Tg是玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，即材料從玻璃變?yōu)橄鹉z的溫度。Tg值越低，板進(jìn)入回流爐后開始軟化的速度越快。而且變成軟橡膠狀態(tài)的時(shí)間

會(huì)更長，當(dāng)然板的變形也會(huì)更嚴(yán)重。使用較高的Tg片材會(huì)增加其應(yīng)力和變形，但材料的價(jià)格相對較高。

3）增加電路板的厚度：為了達(dá)到許多電子產(chǎn)品更輕、更薄的目的，電路板的厚度已經(jīng)留成了1.0mm、0.8mm甚至0.6mm的厚度。這個(gè)厚度應(yīng)該保持回流焊爐后的板子不變形，這真的很困難。建議如果對輕薄沒有要求，可以使用厚度為1.6mm的板，這樣可以大大減少。板彎曲和變形的風(fēng)險(xiǎn)。

4）減小電路板的尺寸，減少面板的數(shù)量：由于大多數(shù)回流爐使用鏈條來驅(qū)動(dòng)電路板前進(jìn)，因此較大的電路板尺寸會(huì)因其自重而在回流爐中凹陷，因此盡量將電路板的長邊作為板的一側(cè)放在回流爐的鏈條上， 從而減少電路板本身重量引起的凹陷和變形， 并將電路板放在一起。數(shù)量的減少也是基于這個(gè)原因，即在通過爐子時(shí)，盡量使用垂直于爐膛方向的窄邊，以達(dá)到凹陷變形的量。

5）使用爐盤夾具：如果上述方法難以實(shí)現(xiàn)，則使用爐盤以減少變形量。爐盤之所以能減少板材的彎曲，是因?yàn)闊o論是熱脹還是冷縮，都希望爐盤能抱住電路板，等到電路板溫度低于Tg值再開始硬化，這樣花園的尺寸就可以保持了。如果單層支持。托盤不能減少電路板的變形， 所以需要增加一層蓋子，用上下托盤夾住電路板， 從而大大減少

電路板通過回流爐變形的問題。但是，烤箱托盤非常昂貴，需要手動(dòng)放置和回收托盤。

6）使用真正的連接和沖壓孔代替V-Cut的子板：由于V-Cut會(huì)破壞電路板之間電路板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因此盡量不要使用V-Cut的子板，或減小V-Cut深度。PCB板優(yōu)化。生產(chǎn)工程：影響不同材料對板材的變形情況將計(jì)入不同材料板材的缺陷率。低Tg材料的變形。沉沒率高于高Tg材料。上表所列高Tg材料均為填料形材料，CTE小于低Tg材料。同時(shí)，在壓制后的加工過程中，烘烤溫度為150攝氏度。影響肯定會(huì)大于中高Tg材料。工程設(shè)計(jì)應(yīng)盡量避免結(jié)構(gòu)不對稱，材料不對稱，圖形不對稱設(shè)計(jì)以減少變形。同時(shí)，在研究過程中，還發(fā)現(xiàn)芯板直接層壓結(jié)構(gòu)比銅箔層壓結(jié)構(gòu)更容易變形。在工程設(shè)計(jì)中，拼圖板的框架形式對變形的影響也較大。

一般來說， PCB工廠會(huì)有連續(xù)的大銅框架和非連續(xù)的銅點(diǎn)或銅塊框架， 并且也存在不同的區(qū)別。兩種框架形式變形不同的原因是連續(xù)銅框架的強(qiáng)度高，在壓制拼接過程中剛度比較大，使板內(nèi)的殘余應(yīng)力不易釋放，形狀加工后釋放集中， 導(dǎo)致更嚴(yán)重的變形。不連續(xù)的銅點(diǎn)框在壓制和后續(xù)加工過程中逐漸釋放應(yīng)力，單板成型后變形較小。以上是工程設(shè)計(jì)中可能涉及的一些影響因素。當(dāng)時(shí)可以靈活使用。它可以減少設(shè)計(jì)引起的變形的影響。

3.3 壓縮研究

壓力對變形的影響非常重要。合理的參數(shù)設(shè)置、壓力機(jī)選擇和堆垛方式可以有效降低應(yīng)力。對于結(jié)構(gòu)對稱的一般面板，一般在按壓時(shí)要注意面板的對稱堆疊，并對稱放置工具面板和緩沖材料等輔助工具。同時(shí)，選擇冷熱一體壓機(jī)來壓榨也明顯有助于降低熱應(yīng)力。為了使冷熱分壓機(jī)在高溫（GT溫度以上）將板材轉(zhuǎn)移到冷壓機(jī)上，Tg點(diǎn)以上的材料壓力損失和快速冷卻會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力的快速釋放和變形，而冷熱一體機(jī)可以實(shí)現(xiàn)熱壓結(jié)束時(shí)的降溫，以避免板在高溫下的壓力損失高溫。同時(shí)，對于客戶的特殊需求，不可避免地會(huì)出現(xiàn)一些材料或結(jié)構(gòu)不對稱的板材。此時(shí)，上一篇文章中分析的不同CTE引起的變形將非常明顯。對于這個(gè)問題，我們可以嘗試使用非對稱堆疊方法解決這個(gè)問題。原理是利用緩沖材料的不對稱放置來到達(dá)PCB板。雙面加熱速度不同，影響不同CTE芯柏樹在加熱和冷卻階段的膨脹和收縮，以解決變形不一致的問題。是的我公司某結(jié)構(gòu)不對稱板上的測試結(jié)果。通過不對稱堆疊方式， 并在壓制后添加后固化工藝， 并在發(fā)貨前流平， 該板最終滿足客戶的2.0mm要求。

3.4 其他生產(chǎn)工藝

在PCB板生產(chǎn)過程中， 除了壓制， 還有阻焊層的幾個(gè)高溫加工工藝， 表征和熱風(fēng)流平。其中，阻焊層和烘烤板后字符的溫度為150攝氏度。如上所述，該溫度在普通Tg材料中。在Tg點(diǎn)以上，材料處于高彈性狀態(tài)，在外力作用下容易變形。因此，避免堆疊板，以防止干燥板時(shí)下板彎曲，并在干燥板時(shí)確保板。工件的方向與吹氣方向平行。在熱風(fēng)流平過程中，需要確保將板材放入錫爐中冷卻30秒以上，以避免高溫后處理后冷水洗后突然冷變形。除了生產(chǎn)工藝， PCB板在每個(gè)工位的存放也對變形有一定的影響。在一些制造商中，由于要生產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)量多，空間小，將多塊板堆疊在一起進(jìn)行存儲(chǔ)。這也會(huì)導(dǎo)致電路板因外力而變形。由于PCB板還具有一定的塑性， 這些變形在隨后的找平過程中不會(huì) 100% 恢復(fù).