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PCB板变形的原因及解决方法
2022-01-06
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PCB板由铜箔、树脂、玻璃布等材料组成,各材料物理和化学性能均不相同,压合在一起后必然会产生热应力残留,导致变形。同时在PCB的加工过程中,会经过高温、机械切削、湿处理等各种流程,也会对板件变形产生重要影响,总之可以导致PCB板变形的原因复杂多样,如何减少或消除由于材料特性不同或者加工引起的变形,成为PCB制造商面临的最复杂问题之一。

变形产生原因分析
PCB板的变形需要从材料、结构、图形分布、加工制程等几个方面进行研究,本文将对可能产生变形的各种原因和改善方法进行分析和阐述。电路板上的铺铜面面积不均匀,会恶化板弯与板翘。

一般电路板上都会设计有大面积的铜箔来当作接地之用,有时候Vcc层也会有设计有大面积的铜箔,当这些大面积的铜箔不能均匀地分布在同一片电路板上的时候,就会造成吸热与散热速度不均匀的问题,电路板当然也会热胀冷缩,如果涨缩不能同时就会造成不同的应力而变形,这时候板子的温度如果已经达到了Tg值的上限,板子就会开始软化,造成永久的变形。

电路板上各层的连结点(vias,过孔)会限制板子涨缩。现今的电路板大多为多层板,而且层与层之间会有向铆钉一样的连接点(vias),连结点又分为通孔、盲孔与埋孔,有连结点的地方会限制板子涨冷缩的效果,也会间接造成板弯与板翘。

电路板本身的重量会造成板子凹陷变形。一般回焊炉都会使用链条来带动电路板于回焊炉中的前进,也就是以板子的两边当支点撑起整片板子,如果板子上面有过重的零件,或是板子的尺寸过大,就会因为本身的种量而呈现出中间凹陷的现象,造成板弯。

V-Cut的深浅及连接条会影响拼板变形量。基本上V-Cut就是破坏板子结构的元凶,因为V-Cut就是在原来一大张的板材上切出沟槽来,所以V-Cut的地方就容易发生变形。

压合材料、结构、图形对板件变形的响分析

PCB板由芯板和半固化片以及外层铜箔压合而成,其中芯板与铜箔在压合时受热变形,变形量取决于两种材料的热膨胀系数(CTE)。铜箔的热膨胀系数(CTE)为左右。而普通FR-4基材在Tg点以下Z向CTE。TG点以上为(250~350)X10-6,X向CTE由于玻璃布存在,一般与铜箔类似。

关于TG点的注释:
高Tg印制板当温度升高到某一区域时,基板将由玻璃态转变为橡胶态,此时的温度称为该板的玻璃化温度(Tg)。也就是说,Tg是基材保持刚性的最高温度(℃)。也就是说普通PCB基板材料在高温下,不但产生软化、变形、熔融等现象,同时还表现在机械、电气特性的急剧下降。一般Tg的板材为130度以上,高Tg一般大于170度,中等Tg约大于150度。通常Tg≥170℃的PCB印制板,称作高Tg印制板。

基板的Tg提高了,印制板的耐热性、耐潮湿性、耐化学性、耐稳定性等特征都会提高和改善。TG值越高,板材的耐温度性能越好 ,尤其在无铅制程中,高Tg应用比较多。其中做好内层图形的芯板的膨胀由于图形分布与芯板厚度或者材料特性不同而不同,当图形分布与芯板厚度或者材料特性不同而不同,当图形分布比较均匀,材料类型一致,不会产生变形。当PCB板层压结构存在不对称或者图形分布不均匀时会导致不同芯板的CTE差异较大,从而在压合过程中产生变形。

PCB板加工过程中引起的变形
PCB板加工过程的变形原因非常复杂可分为热应力和机械应力两种应力导致。其中热应力主要产生于压合过程中,机械应力主要产生板件堆放、搬运、烘烤过程中。

覆铜板来料:覆铜板均为双面板,结构对称,无图形,铜箔与玻璃布CTE相差无几,所以在压合过程中几乎不会产生因CTE不同引起的变形。但是,覆铜板压机尺寸大,热盘不同区域存在温差,会导致压合过程中不同区域树脂固化速度和程度有细微差异,同时不同升温速率下的动黏度也有较大差异,所以也会产生由于固化过程差异带来的局部应力。一般这种应力会在压合后维持平衡,但会在日后的加工中逐渐释放产生变形。

压合:PCB压合工序是产生热应力的主要流程,其中由于材料或结构不同产生的变形见上一节的分析。与覆铜板压合类似,也会产生固化过程差异带来的局部应力,PCB板由于厚度更厚、图形分布多样、半固化片更多等原因,其热应力也会比覆铜板更多更难消除。而PCB板中存在的应力,在后继钻孔、外形或者烧烤等流程中释放,导致板件产生变形。

阻焊、字符等烘烤流程:由于阻焊油墨固化时不能互相堆叠,所以PCB板都会竖放在架子里烘板固化,阻焊温度150℃左右,刚好超过中低Tg材料的Tg点,Tg点以上树脂为高弹态,板件容易在自重或者烘箱强风作用下变形。

热风焊料整平:普通板热风焊料整平时锡炉温度为225℃~265℃,时间为3S-6S。热风温度为280℃~300℃.焊料整平时板从室温进锡炉,出炉后两分钟内又进行室温的后处理水洗。整个热风焊料整平过程为骤热骤冷过程。由于电路板材料不同,结构又不均匀,在冷热过程中必然会出现热应力,导致微观应变和整体变形翘区。

存放:PCB板在半成品阶段的存放一般都坚插在架子中,架子松紧调整的不合适,或者存放过程中堆叠放板等都会使板件产生机械变形。尤其对于2.0mm以下的薄板影响更为严重。

那要如何才可以防止板子过回焊炉发生板弯及板翘的情形呢?

1.降低温度对板子应力的影响
既然温度是板子应力的主要来源,只要降低回焊炉的温度或是调慢板子在回焊炉中升温及冷却的速度,就可以大大地降低板弯及板翘的情形发生。不过可能会有其他副作用就事了。

2.采用高Tg的板材
Tg是玻璃转换温度,也就是材料由玻璃态转变成橡胶态的温度,Tg值越低的材料,表示其板子进入回焊炉后开始变软的速度越快,而且变成柔软橡胶态的时间也会变长,板子的变形量当然就会越严重。採用较高Tg的板材就可以增加其承受应力变形的能力,但是相对地材料的价钱也比较高。

3. 增加电路板的厚度
许多电子的产品为了达到更轻薄的目的,板子的厚度已经剩下1.0mm、0.8mm,甚至作到了0.6mm的厚度,建议如果没有轻薄的要求,板子最好可以使用1.6mm的厚度,可以大大降低板弯及变形的风险。

4. 减少电路板的尺寸与减少拼板的数量
既然大部分的回焊炉都採用链条来带动电路板前进,尺寸越大的电路板会因为其自身的重量,在回焊炉中凹陷变形,所以尽量把电路板的长边当成板边放在回焊炉的链条上,就可以降低电路板本身重量所造成的凹陷变形,把拼板数量降低也是基于这个理由,也就是说过炉的时候,尽量用窄边垂直过炉方向,可以达到最低的凹陷变形量。

5. 改用实连接、邮票孔,替代V-Cut的分板使用
既然V-Cut会破坏电路板间拼板的结构强度,那就尽量不要使用V-Cut的分板,或是降低V-Cut的深度。

除生产流程外,PCB板件在各工位的存储也对变形有一定的影响,在一些厂家由于待产较多、场地狭小的原因,会将多架板堆放在一起存储,这也会导致板件受外力变形,由于PCB板也有一定塑性,所以这些变形在后面的校平工序也不会得到100%的恢复。大多数PCB厂家在出货前都会有校平流程,这是因为在加工过程中不可避免的会产生受热或机械力产生的板件变形,在出货前通过机械校平或热烘校平可以得到有效改善。爱彼电路(iPcb®)是专业高精密PCB电路板研发生产厂家,可批量生产4-46层pcb板,电路板,线路板,高频板,高速板,HDI板,pcb线路板,高频高速板,双面,多层线路板,hdi电路板,混压电路板,高频电路板,软硬结合板等

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