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PCB變形的原因和改進(jìn)

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當(dāng)電路板進(jìn)行回流焊接時(shí),電路板很容易彎曲并變形。如果是嚴(yán)重的話,甚至?xí)斐煽蘸负褪那闆r。應(yīng)該如何克服?

 

1. PCB電路板變形損壞

      在自動(dòng)表面貼裝線上,如果電路板不光滑,會(huì)導(dǎo)致定位不準(zhǔn)確,元件無法插入或粘貼到電路板的孔和表面貼裝墊上,甚至自動(dòng)插入機(jī)也會(huì)損壞。裝配有元件的電路板在焊接后彎曲,元件支腳難以按順序切割。電路板不能裝入外殼或插座中,因此組裝廠卡在電路板上同樣令人煩惱。目前,表面貼裝技術(shù)正朝著高精度,高速度和智能化方向發(fā)展,對各種元件所在的PCB板提出了更高的平坦度要求。

 

      深圳市銘華航電SMT貼片加工廠在IPC標(biāo)準(zhǔn)中,帶有表面貼裝器件的PCB板的最大允許變形為0.75%,沒有表面貼裝器件的PCB板的最大允許變形為1.5%。事實(shí)上,為了滿足高精度和高速安裝的要求,一些電子安裝制造商對變形量有更嚴(yán)格的要求。例如,我們公司的幾個(gè)客戶允許的最大變形量為0.5%,甚至一些客戶需要0.3%。

      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)是不同的。當(dāng)壓在一起時(shí),不可避免地會(huì)發(fā)生熱應(yīng)力殘留,導(dǎo)致變形。同時(shí)在PCB加工過程中,通過高溫,機(jī)械切削,濕法工藝等工藝,會(huì)對板材變形產(chǎn)生很大影響,總之會(huì)造成PCB變形復(fù)雜,如何減少或消除造成的通過不同的材料特性和加工,PCB制造商的變形是最復(fù)雜的問題之一。

 

2.分析變形原因

      PCB板的變形需要從材料,結(jié)構(gòu),圖形分布和加工過程等方面進(jìn)行研究。本文分析和闡述了可能的變形和改進(jìn)方法的各種原因。

電路板上銅表面的面積不均勻,這會(huì)使電路板的彎曲和翹曲變差。

      一般的電路板會(huì)設(shè)計(jì)用大面積的銅箔進(jìn)行接地,有時(shí)Vcc層設(shè)計(jì)了大面積的銅箔,當(dāng)這些大面積的銅箔不能均勻分布在同一電路板上時(shí),會(huì)造成熱量不均勻冷卻速度,電路板,當(dāng)然,也可以加熱冷脹,如果增加,不能同時(shí)可以造成不同的應(yīng)力和變形,此時(shí)板的溫度如果Tg已達(dá)到上限值,板會(huì)開始軟化,導(dǎo)致永久變形。

電路板每層上的連接點(diǎn)(通孔,通孔)將限制電路板的膨脹和收縮

      如今,電路板大多是多層的,層之間會(huì)有類似鉚釘?shù)倪B接點(diǎn)(過孔)。連接點(diǎn)分為通孔,盲孔和埋孔。在存在連接點(diǎn)的情況下,板的膨脹和收縮的影響將受到限制,并且還將間接地引起板的彎曲和翹曲。


電路板本身的重量會(huì)使電路板的壓痕變形

      通常,背焊爐將使用鏈條在背焊爐中向前驅(qū)動(dòng)電路板,也就是說,整個(gè)電路板將由電路板兩側(cè)的支點(diǎn)支撐。

 

V形切口的深度和連接將影響面板的變形

基本上,V形切割是損壞板結(jié)構(gòu)的罪魁禍?zhǔn)祝驗(yàn)閂形切割是切割原始大板上的凹槽,因此V形切割容易變形的地方。

2.1聲壓分析壓縮材料,結(jié)構(gòu)和圖形對板的變形

 

PCB板是由芯板,半固化板和外銅箔壓縮而成,其中芯板和銅箔在壓在一起時(shí)會(huì)發(fā)生熱變形,變形量取決于熱膨脹系數(shù)(CTE) )這兩種材料。

銅箔的熱膨脹系數(shù)(CTE)約為17×10-6。

然而,普通fr-4基底在Tg點(diǎn)的Z CTE為(50~70)×10 -6。

上述TG點(diǎn)為(250~350)×10-6,由于存在玻璃布,x方向CTE通常與銅箔相似。

關(guān)于TG點(diǎn)的說明:

      當(dāng)高Tg印刷版的溫度增加到一定區(qū)域時(shí),基板將從“玻璃態(tài)”變?yōu)椤跋鹉z態(tài)”。此時(shí)的溫度稱為板的玻璃化溫度(Tg)。也就是說,Tg是為了保持基材的剛性最高溫度(℃)。也就是說,普通的PCB基板材料不僅會(huì)產(chǎn)生軟化,變形,熔化等現(xiàn)象,而且還會(huì)表現(xiàn)出機(jī)械和電氣特性的急劇下降。

通常,Tg板高于130度,高Tg高于170度,中等Tg高于150度。

Tg為170℃以上的PCB印刷電路板通常稱為高Tg,PCB。

      提高了基板的Tg,可以提高印刷電路板的耐熱性,耐濕性,耐化學(xué)性和穩(wěn)定性。 TG值越高,板的耐溫性越好,特別是在無鉛工藝中,應(yīng)用的TG越高。

高Tg是指高耐熱性。隨著電子工業(yè)的快速發(fā)展,特別是以計(jì)算機(jī)為代表的電子產(chǎn)品,PCB基板材料需要更高的耐熱性作為重要保證。以SMT和CMT為代表的高密度安裝技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展使得PCB在小孔徑,精細(xì)布線和薄成型方面越來越不能支持基板的高耐熱性。

因此,一般fr-4和高Tg fr-4之間的差異在于熱狀態(tài)下,特別是在吸濕后的熱量下,機(jī)械強(qiáng)度,尺寸穩(wěn)定性,粘附性,吸水性,熱分解性和熱膨脹性。材料不同,高

Tg產(chǎn)品明顯優(yōu)于普通PCB基板材料。

      由于圖形分布與芯板厚度或材料特性的差異,具有良好內(nèi)部圖形的芯板的擴(kuò)展是不同的。當(dāng)圖形分布與芯板厚度或材料特性不同時(shí),當(dāng)圖形分布更均勻且材料類型一致時(shí),不會(huì)發(fā)生變形。當(dāng)PCB板的層壓結(jié)構(gòu)不對稱或圖形分布不均勻時(shí),不同芯板的CTE將大不相同,這將導(dǎo)致壓實(shí)過程中的變形。變形機(jī)制可以通過以下原理來解釋。

圖。 1普通半固化片的動(dòng)態(tài)粘度曲線

      假設(shè)核心板有兩種CTE大差異通過A固化壓制在一起,其中A核心板CTE為1.5×10-5 /℃,核心板長度為1000mm。在壓制過程中,用作粘合片的半凝固片通過軟化,流動(dòng)和填充三個(gè)階段與兩個(gè)芯板粘合在一起。

      圖1為普通FR-4樹脂在不同加熱速率下底部的運(yùn)動(dòng)粘度曲線,一般來說,材料從90℃到流動(dòng),并達(dá)到TG以上的交聯(lián)固化開始,并在固化前半固化狀態(tài)為自由度,自由膨脹芯板和銅箔處于加熱狀態(tài),其變形可以通過它們的價(jià)值來改變CTE和溫度。

為了模擬壓制條件,溫度從30℃到180℃,

此時(shí),兩個(gè)芯板的變形分別為

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

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


此時(shí),由于半凝固仍處于自由狀態(tài),兩個(gè)芯板一長一短,不干涉,并且尚未變形。

,如圖2所示,壓合后將在高溫下保持一段時(shí)間,直到A固化完全固化,樹脂達(dá)到固化狀態(tài),此時(shí)不能流動(dòng),兩種芯板在一起。當(dāng)溫度下降,沒有夾層樹脂束縛時(shí),芯板會(huì)回到初始長度,不會(huì)產(chǎn)生變形,但實(shí)際上兩塊芯板在高溫下已經(jīng)固化樹脂粘合,在冷卻過程中不能自動(dòng)收縮,其中一塊核心板收縮應(yīng)為3.75毫米,實(shí)際上當(dāng)收縮大于2.25毫米時(shí)受到A核板的阻礙,要實(shí)現(xiàn)兩塊核心板之間的力平衡,B核心板不能縮小到3.75毫米,而且一顆核心板的收縮將大于2.25mm,使得整個(gè)板將朝B芯板彎曲,如圖2所示。

圖2不同CTE芯板壓制過程中的變形圖

      基于以上分析,可以看出PCB板的層疊結(jié)構(gòu)和材料類型是否均勻分布對不同芯板與銅箔之間的CTE差異有直接影響。在壓實(shí)過程中,通過半凝固板的固定過程保持膨脹和收縮的差異,最終形成PCB板的變形。

2.2 PCB加工過程中的變形

      PCB板加工過程中變形的原因非常復(fù)雜,可分為熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力。其中,熱應(yīng)力主要在壓制過程中產(chǎn)生,而機(jī)械應(yīng)力主要在堆積,運(yùn)輸和烘烤過程中產(chǎn)生。以下是流程順序的簡要討論。

      覆銅板材:銅包覆板是雙面的,結(jié)構(gòu)對稱,沒有圖形。銅箔與玻璃布的CTE幾乎相同,因此在壓實(shí)過程中幾乎不會(huì)發(fā)生由不同CTE引起的變形。然而,由于銅包覆板壓機(jī)的大尺寸和熱板不同區(qū)域的溫差,在壓制過程中不同區(qū)域的樹脂的固化速度和程度會(huì)略有不同,并且動(dòng)態(tài)粘度會(huì)不同。加熱速率也會(huì)有很大差異,因此也會(huì)發(fā)生由固化過程中的差異引起的局部應(yīng)力。通常,壓縮后應(yīng)力將得到平衡,但在后續(xù)加工中會(huì)逐漸釋放并產(chǎn)生變形。


      粘貼:PCB壓制是產(chǎn)生熱應(yīng)力的主要過程,其中不同材料或結(jié)構(gòu)引起的變形在前一節(jié)進(jìn)行了分析。與覆銅板的壓實(shí)類似,也會(huì)發(fā)生由不同固化過程引起的局部應(yīng)力。由于厚度更厚,圖形分布多樣化,半固化片材更多,PCB板材的熱應(yīng)力也比銅包層板材更難以消除。 PCB的應(yīng)力在隨后的鉆孔,成形或燒烤過程中釋放,導(dǎo)致PCB變形。

      電阻焊,烘烤工藝等字符:由于阻焊油墨固化不能相互堆疊,所以PCB將在烤盤上設(shè)置在烤盤上固化,電阻焊接溫度在150℃左右,剛剛超過中下Tg材料點(diǎn)Tg,Tg高于樹脂為高彈性狀態(tài),板材在重力作用下容易爆破變形或變形。

熱風(fēng)焊錫找平:普通板式熱風(fēng)焊錫爐通常的錫爐溫度為225℃~265℃,時(shí)間為3 s至6 s。熱風(fēng)溫度為280℃~300℃。通常的板焊料從室溫進(jìn)入錫爐,后處理洗滌和室溫后兩分鐘。整平熱風(fēng)焊料的整個(gè)過程是淬火過程。由于電路板材料不同且結(jié)構(gòu)不均勻,在冷熱過程中不可避免地出現(xiàn)熱應(yīng)力,導(dǎo)致微應(yīng)變和整個(gè)變形翹曲區(qū)域。

      儲(chǔ)存:半成品階段PCB板的儲(chǔ)存一般牢固地插入擱板,不適合擱板的緊密調(diào)整,或者在儲(chǔ)存過程中堆放板放置會(huì)造成機(jī)械變形。板。特別是,對2.0mm以下薄板的影響更為嚴(yán)重。

除上述因素外,影響PCB變形的因素很多。

3.改進(jìn)措施

那么如何通過背焊爐防止板材彎曲和板材翹曲?

1.降低溫度對板材應(yīng)力的影響

      由于“溫度”是板材應(yīng)力的主要來源,只要降低回焊爐的溫度或調(diào)節(jié)回焊爐中慢板的加熱和冷卻速度,板材彎曲和板材翹曲的情況就可以了大大減少。但可能還有其他副作用。

2.高Tg板

Tg是玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,其是材料從玻璃態(tài)變?yōu)橄鹉z態(tài)的溫度。材料的Tg值越低,進(jìn)入背焊爐后電路板開始變軟越快,變成軟橡膠狀態(tài)的時(shí)間越長,電路板的變形當(dāng)然就越嚴(yán)重。使用較高Tg的板可以增加它們承受應(yīng)力和變形的能力,但是材料的成本相對較高。

增加電路板的厚度

許多電子產(chǎn)品為了達(dá)到更薄的目的,板的厚度有1.0毫米和0.8毫米,即使厚度為0.6毫米,這個(gè)厚度保持板焊后爐子不變形,真正站立,建議如果沒有輕浮的要求,板子最好可以使用1.6毫米厚度,可以大大降低板材彎曲和變形的風(fēng)險(xiǎn)。

4.減小電路板的尺寸和面板的數(shù)量

由于大部分背焊爐采用鏈條驅(qū)動(dòng)電路板,電路板的尺寸越大,由于其自身的重量,焊接爐背面凹陷變形,所以盡量放置電路的長邊板作為鏈條上的邊緣回到焊接爐,可以減輕電路板本身造成的重量下垂變形,減少化妝的數(shù)量也是出于這個(gè)原因,也就是說,一個(gè)爐子,盡可能用窄邊垂直于爐子的方向,可以實(shí)現(xiàn)最低的下垂變形。


5.二手托盤夾具

如果上述方法難以實(shí)現(xiàn),最后是使用爐盤(回流載體/模板),減少爐托的變形可以減少板彎板變熱,因?yàn)榧葻嵊掷?,都希望托盤可以保持電路板等到電路板溫度低于Tg值開始變硬,也可以保持花園的大小。

如果單層托盤不能減少電路板的變形,就要加一個(gè)蓋子,將電路板上下兩個(gè)托盤夾緊,這樣電路板背焊爐變形的問題可以大大減少。然而,這種爐托是昂貴的,但也必須添加人工儲(chǔ)存和回收托盤。

6.使用實(shí)心連接和印章孔代替V形切割分隔器

由于V形切割會(huì)破壞板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,因此盡量不要使用V形切割器或減小V形切口的深度。

實(shí)際連接:采用刀式分割機(jī)

郵票孔

PCB生產(chǎn)工程的優(yōu)化:

不同材料對板材變形的影響

計(jì)算了不同材料的過度變形和缺陷率,結(jié)果如表1所示。


從表中可以看出,低Tg材料變形缺陷比高Tg,高Tg材料顯示為包裝材料,但是,低于Tg的材料,在加工過程中同時(shí)加工,烘烤溫度150℃,最高對較低Tg材料的影響將大于高Tg材料。

工程設(shè)計(jì)研究

工程設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能避免結(jié)構(gòu)不對稱,材料不對稱和圖形不對稱的設(shè)計(jì),以減少變形的產(chǎn)生。同時(shí),在研究過程中還發(fā)現(xiàn),芯板的直接壓縮結(jié)構(gòu)比銅箔更容易變形。


從表2可以看出,兩種結(jié)構(gòu)的不合格缺陷率明顯不同,可以理解為芯板的壓縮結(jié)構(gòu)由三個(gè)芯板組成。不同芯板之間的膨脹和收縮以及應(yīng)力變化更復(fù)雜且難以消除。

在工程設(shè)計(jì)中,膠合板框架的形狀對變形也有很大影響。一般來說,PCB工廠會(huì)有大的連續(xù)銅框架和不連續(xù)的銅點(diǎn)或銅塊框架,它們也有不同的差異。


表3顯示了兩種邊框設(shè)計(jì)板的對比測試結(jié)果。兩種框架的變形不同的原因是連續(xù)銅皮革框架具有高強(qiáng)度,在壓制和膠合板的過程中剛性相對較大,這使得板材中的殘余應(yīng)力不易釋放,并著重于形狀加工后的釋放,導(dǎo)致更嚴(yán)重的變形。非連續(xù)銅點(diǎn)框架逐漸釋放壓制和后續(xù)加工中的應(yīng)力


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