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    PCB大講堂:PCB板變形原因及預防措施

    發布時間 :2017-03-03 16:19 閱讀 : 來源 :技術文章責任編輯 :深圳宏力捷PCB制板部
    PCB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?  
    一、PCB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,PCBA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。
    PCB板變形的危害
    PCB板變形的危害
      
      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。
     
    二、PCB板變形產生原因分析
      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。
    電路板通孔、埋孔、盲孔結構圖
      
      PCB板變形的原因:
     ?。?)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。
    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。
      
      1、壓合材料、結構、圖形對板件變形的影響分析
      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:
      高Tg印制電路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印制電路板,稱作高Tg印制電路板。
      基板的Tg提高了,印制電路板的耐熱性、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。
      高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。
      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。
      圖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。
    不同CTE芯板壓合過程中變形示意
    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、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。
    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。 
      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板變形的因素還有很多。
     
    三、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程中的重要問題之一,裝上元器件的板子焊接后發生彎曲,組件腳很難整齊。板子也無法裝到機箱或機內的插座上,所以,電路板翹曲會影響到整個后序工藝的正常運作?,F階段印制電路板已進入到表面安裝和芯片安裝的時代,工藝對電路板翹曲的要求可謂是越來越高。所以我們要找到半路幫翹曲的原因。
    PCB板翹曲變形的預防
      1.工程設計:印制電路板設計時應注意事項:A.層間半固化片的排列應當對稱,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品。C. 外層A面和B面的線路圖形面積應盡量接近。若A面為大銅面,而B面僅走幾根線,這種印制電路板在蝕刻后就很容易翹曲。如果兩面的線路面積相差太大,可在稀的一面加一些獨立的網格,以作平衡。
      2.下料前烘板:覆銅板下料前烘板(150攝氏度,時間8±2小時)目的是去除板內的水分,同時使板材內的樹脂完全固化,進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。但也有部分板材廠例外,目前各PCB 廠烘板的時間規定也不一致,從4-10小時都有,建議根據生產的印制電路板的檔次和客戶對翹曲度的要求來決定。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.半固化片的經緯向:半固化片層壓后經向和緯向收縮率不一樣,下料和迭層時必須分清經向和緯向。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,很多就是層壓時半固化片的經緯向沒分清,亂迭放而造成的。如何區分經緯向?成卷的半固化片卷起的方向是經向,而寬度方向是緯向;對銅箔板來說長邊時緯向,短邊是經向,如不能確定可向生產商或供應商查詢。
      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,以使板內的應力逐漸釋放并使樹脂完全固化,這一步驟不可省略。
      5.薄板電鍍時需要拉直:0.4~0.6mm超薄多層板作板面電鍍和圖形電鍍時應制作特殊的夾輥,在自動電鍍線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,從而拉直輥上所有的板子,這樣電鍍后的板子就不會變形。若無此措施,經電鍍二三十微米的銅層后,薄板會彎曲,而且難以補救。
      6.熱風整平后板子的冷卻:印制電路板熱風整平時經焊錫槽(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。有的工廠為增強鉛錫表面的亮度,板子熱風整平后馬上投入冷水中,幾秒鐘后取出在進行后處理,這種一熱一冷的沖擊,對某些型號的板子很可能產生翹曲,分層或起泡。另外設備上可加裝氣浮床來進行冷卻。
      7.翹曲板子的處理:管理有序的工廠,印制電路板在最終檢驗時會作100%的平整度檢查。凡不合格的板子都將挑出來,放到烘箱內,在150攝氏度及重壓下烘3~6小時,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上海貝爾的使用在補救線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,部分板子烘壓也沒用,只能報廢。
     
    四、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)的印制電路板其扭曲和弓曲標準為不大于0.75%,其它類型的板為不大于1.5%。 測試方法參考IPC-TM-650 2.4.22。
      
    印刷電路板(PCB)翹曲度定義及測量方法:
    首先說的是覆銅的時候是網格好還是全銅好,大的板子,網格銅好,因為全銅在受到外力的時候會保持翹曲情況,網格的就不會保持,會恢復到原來的平整情況,一般工藝邊也留銅目的就是要保障板子的翹曲度。IPC標準翹曲度小于0.75%,即為合格產品! 
    如何測量,首先將PCB板放于大理石平臺或大于5mm厚的玻璃板上使用塞規測量角落最大的尺寸,然后用尺量取PCB對角的長度兩個數相除,如果大于千分之七就不合格。 
    印刷電路板(PCB)翹曲度定義及測量方法


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