克服PCB問題，回流焊時闆彎闆翹，元件空焊、立碑等情況!
：2018-12-29
：333
在自動化表面貼裝線上，電路闆若不平整，會引起定位不準，元器件無法插裝或貼裝到闆子的孔和表面貼裝焊盤上，甚至會撞壞自動插裝機。裝上元器件的電路闆焊接後發生彎曲，元件腳很難剪平整齊。闆子也無法裝到機箱或機内的插座上，所以，裝配廠碰到闆翹同樣是十分煩惱。目前的表面貼裝技術正在朝着高精度、高速度、智能化方向發展，這就對做爲各種元器件家園的PCB闆提出了更高的平整度要求。
在IPC标準中特别指出帶有表面貼裝器件的PCB闆允許的最大變形量爲0.75%，沒有表面貼裝的PCB闆允許的最大變形量爲1.5%。實際上，爲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。
PCB闆由銅箔、樹脂、玻璃布等材料組成，各材料物理和化學性能均不相同，壓合在一起後必然會産生熱應力殘留，導緻變形。同時在PCB的加工過程中，會經過高溫、機械切削、濕處理等各種流程，也會對闆件變形産生重要影響，總之可以導緻PCB闆變形的原因複雜多樣，如何減少或消除由于材料特性不同或者加工引起的變形，成爲PCB制造商面臨的最複雜問題之一。
變形産生原因分析
PCB闆的變形需要從材料、結構、圖形分布、加工制程等幾個方面進行研究，本文将對可能産生變形的各種原因和改善方法進行分析和闡述。
電路闆上的鋪銅面面積不均勻，會惡化闆彎與闆翹。
一般電路闆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闆上的時候，就會造成吸熱與散熱速度不均勻的問題，電路闆當然也會熱脹冷縮，如果漲縮不能同時就會造成不同的應力而變形，這時候闆子的溫度如果已經達到了Tg值的上限，闆子就會開始軟化，造成永久的變形。
電路闆上各層的連結點(vias，過孔)會限制闆子漲縮。
現今的電路闆大多爲多層闆，而且層與層之間會有向鉚釘一樣的連接點(vias)，連結點又分爲通孔、盲孔與埋孔，有連結點的地方會限制闆子漲冷縮的效果，也會間接造成闆彎與闆翹。
電路闆本身的重量會造成闆子凹陷變形。
一般回焊爐都會使用鏈條來帶動電路闆于回焊爐中的前進，也就是以闆子的兩邊當支點撐起整片闆子，如果闆子上面有過重的零件，或是闆子的尺寸過
大，就會因爲本身的種量而呈現出中間凹陷的現象，造成闆彎。
V-Cut的深淺及連接條會影響拼闆變形量。
基本上V-Cut就是破壞闆子結構的元兇，因爲V-Cut就是在原來一大張的闆材上切出溝槽來，所以V-Cut的地方就容易發生變形。
1
壓合材料、結構、圖形對闆件變形的響分析
PCB闆由芯闆和半固化片以及外層銅箔壓合而成，其中芯闆與銅箔在壓合時受熱變形，變形量取決于：
銅箔的熱膨脹系數(CTE)和普通FR-4基材的熱膨脹系數(CTE)。
TG點以上爲(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印制闆當溫度升高到某一區域時，基闆将由"玻璃态”轉變爲“橡膠态”，此時的溫度稱爲該闆的玻璃化溫度(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基闆材料在高溫下，不但産生軟化、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的闆材爲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印制闆，稱作高Tg印制闆。
基闆的Tg提高了，印制闆的耐熱性、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，闆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。随着電子工業的飛躍發展，特别是以計算機爲代表的電子産品，向着高功能化、高多層化發展，需要PCB基闆材料的更高的耐熱性作爲重要的保證。以SMT、CMT爲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，越來越離不開基闆高耐熱性的支持。
所以一般的FR-4與高Tg的FR-4的區别：是在熱态下，特别是在吸濕後受熱下，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産品明顯要好于普通的PCB基闆材料。
其中做好内層圖形的芯闆的膨脹由于圖形分布與芯闆厚度或者材料特性不同而不同，當圖形分布與芯闆厚度或者材料特性不同而不同，當圖形分布比較均勻，材料類型一緻，不會産生變形。當PCB闆層壓結構存在不對稱或者圖形分布不均勻時會導緻不同芯闆的CTE差異較大，從而在壓合過程中産生變形。其變形機理可通過以下原理解釋：
圖1 普通半固化片動粘度曲線
假設有兩種CTE相差較大的芯闆通過半固化片壓合在一起，其中A芯闆CTE爲1.5x10-5/℃，芯闆長度均爲1000mm。在壓合過程作爲粘結片的半固化片，則經過軟化、流動并填充圖形、固化三個階段将兩張芯闆粘合在一起。
圖1爲普通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爲自由狀态，此時芯闆和銅箔處在受熱後自由膨脹狀态，其變形量可以通過各自的CTE和溫度變化值得到。
模拟壓合條件，溫度從30℃升至180℃，此時兩種芯闆變形量分别爲：
△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态，兩種芯闆一長一短，互不幹涉，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态，不能随意流動，兩種芯闆結合在一起.當溫度下降時，如無層間樹脂束縛，芯闆會回複至初始長度，并不會産生變形，但實際上兩張芯闆在高溫時已經被固化的樹脂粘合，在降溫過程中不能随意收縮，其中A芯闆應該收縮3.75mm，實際上當收縮大于2.25mm時會受到A芯闆的阻礙，爲達成兩芯闆間的受力平衡，B芯闆不能收縮到3.75mm，而A芯闆收縮會大于2.25mm，從而使整闆向B芯闆方向變曲，如圖2所示。
圖2 不同CTE芯闆壓合過程中變形示意
根據上述分析可知
PCB闆的層壓結構、材料類型以及圖形分布是否均勻，直接影響了不同芯闆以及銅箔之間的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闆的變形。
2
PCB闆加工過程中引起的變形
PCB闆加工過程的變形原因非常複雜可分爲熱應力和機械應力兩種應力導緻。其中熱應力主要産生于壓合過程中，機械應力主要産生闆件堆放、搬運、烘烤過程中。下面按流程順序做簡單讨論。
覆銅闆來料：覆銅闆均爲雙面闆，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産生因CTE不同引起的變形。但是，覆銅闆壓機尺寸大，熱盤不同區域存在溫差，會導緻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，所以也會産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後維持平衡，但會在日後的加工中逐漸釋放産生變形。
壓合：PCB壓合工序是産生熱應力的主要流程，其中由于材料或結構不同産生的變形見上一節的分析。與覆銅闆壓合類似，也會産生固化過程差異帶來的局部應力，PCB闆由于厚度更厚、圖形分布多樣、半固化片更多等原因，其熱應力也會比覆銅闆更多更難消除。而PCB闆中存在的應力，在後繼鑽孔、外形或者燒烤等流程中釋放，導緻闆件産生變形。
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闆都會豎放在架子裏烘闆固化，阻焊溫度150℃左右，剛好超過中低Tg材料的Tg點，Tg點以上樹脂爲高彈态，闆件容易在自重或者烘箱強風作用下變形。
熱風焊料整平：普通闆熱風焊料整平時錫爐溫度爲225℃~265℃，時間爲3S-6S。熱風溫度爲280℃~300℃.焊料整平時闆從室溫進錫爐，出爐後兩分鍾内又進行室溫的後處理水洗。整個熱風焊料整平過程爲驟熱驟冷過程。由于電路闆材料不同，結構又不均勻，在冷熱過程中必然會出現熱應力，導緻微觀應變和整體變形翹區。
存放：PCB闆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适，或者存放過程中堆疊放闆等都會使闆件産生機械變形。尤其對于2.0mm以下的薄闆影響更爲嚴重。
除以上因素以外，影響PCB變形的因素還有很多。
改善對策
那要如何才可以防止闆子過回焊爐發生闆彎及闆翹的情形呢?
1 降低溫度對闆子應力的影響
既然「溫度」是闆子應力的主要來源，隻要降低回焊爐的溫度或是調慢闆子在回焊爐中升溫及冷卻的速度，就可以大大地降低闆彎及闆翹的情形發生。不過可能會有其他副作用就事了。
2 采用高Tg的闆材
Tg是玻璃轉換溫度，也就是材料由玻璃态轉變成橡膠态的溫度，Tg值越低的材料，表示其闆子進入回焊爐後開始變軟的速度越快，而且變成柔軟橡膠态的時間也會變長，闆子的變形量當然就會越嚴重。採用較高Tg的闆材就可以增加其承受應力變形的能力，但是相對地材料的價錢也比較高。
3 增加電路闆的厚度
許多電子的産品爲了達到更輕薄的目的，闆子的厚度已經剩下1.0mm、0.8mm，甚至作到了0.6mm的厚度，這樣的厚度要保持闆子在經過回焊爐不變形，真的有點強人所難，建議如果沒有輕薄的要求，闆子最好可以使用1.6mm的厚度，可以大大降低闆彎及變形的風險。
4 減少電路闆的尺寸與減少拼闆的數量
既然大部分的回焊爐都採用鏈條來帶動電路闆前進，尺寸越大的電路闆會因爲其自身的重量，在回焊爐中凹陷變形，所以盡量把電路闆的長邊當成闆邊放在回焊爐的鏈條上，就可以降低電路闆本身重量所造成的凹陷變形，把拼闆數量降低也是基于這個理由，也就是說過爐的時候，盡量用窄邊垂直過爐方向，可以達到最低的凹陷變形量。
5 使用過爐托盤治具
如果上述方法都難作到，最後就是使用過爐托盤 (reflow carrier/template) 來降低變形量了，過爐托盤可以降低闆彎闆翹的原因是因爲不管是熱脹還是冷縮，都希望托盤可以固定住電路闆等到電路闆的溫度低于Tg值開始重新變硬之後，還可以維持住園來的尺寸。
如果單層的托盤還無法降低電路闆的變形量，就必須再加一層蓋子，把電路闆用上下兩層托盤夾起來，這樣就可以大大降低電路闆過回焊爐變形的問題了。不過這過爐托盤挺貴的，而且還得加人工來置放與回收托盤。
6 改用實連接、郵票孔，替代V-Cut的分闆使用
既然V-Cut會破壞電路闆間拼闆的結構強度，那就盡量不要使用V-Cut的分闆，或是降低V-Cut的深度。
PCB生産工程中的優化
不同材料對闆件變形的影響
将不同材料闆件變形超标缺陷率進行統計，結果見表1。
從表中可以看到，低Tg材料變形缺陷率要高于高Tg材料，上表所列高Tg材料均爲填料形材料，CTE均小于低Tg材料，同時在壓合以後的加工過程中，烘烤溫度最高150℃，對低Tg材料的影響肯定會大于中高Tg材料。
1 工程設計研究
工程設計應該盡量避免結構不對稱、材料不對稱、圖形不對稱的設計，以減少變形的産生，同時在研究過程還發現芯闆直接壓合結構比銅箔壓合結構更容易變形，表2爲兩種結構闆件的試驗結果。
從表2可以看出兩種結構變形不合格的缺陷率有明顯區别，可以理解爲芯闆壓合結構由三張芯闆組成，不同芯闆間的漲縮以及應力變化更複雜，更難以消除。
在工程設計，拼闆邊框形式對變形也有較大影響，一般PCB工廠會存在連續大銅皮邊框和非連續的銅點或銅塊邊框，也有不同區别。
表3爲兩種邊框設計闆件的對比試驗結果。之所以兩種邊框形式變形表現不同，是因爲連續形銅皮邊框強度高，在壓合及拼闆加工過程中剛性比較大，使闆件内殘餘應力不容易釋放，集中在外形加工後釋放，導緻變形更嚴重。而非連續形銅點邊框則在壓合及後繼加工過程中逐步釋放應力，在外形後單闆變形較小。
以上爲工程設計小涉及到的一些可能的影響因素，如能在設計時靈活運用。可以減少因設計帶來的變形影響。
2 壓合研究
壓合對變形的影響至關重要，通過合理的參數設置、壓機選擇和疊闆方式等可以有效減少應力的産生。針對一般的結構對稱的闆件，一般需要注意壓合時對稱疊闆，并對稱放置工具闆、緩沖材料等輔助工具。同時選擇冷熱一體壓機壓合對減少熱應力也有明顯幫助，原因爲冷熱分體壓機在高溫下(GT溫度以上)将闆件轉到冷壓機，材料在Tg點以上失壓并快速冷卻會導緻熱應力迅速釋放産生變形，而冷熱一體壓機可實現熱壓末段降溫，避免闆件在高溫下失壓。
同時，對于客戶特殊的需要，不可避免的會存在一些材料或者結構不對稱的闆件，此時前文分析的由于CTE不同帶來的變形将會非常明顯，針對這種問題我們可以嘗試使用非對稱的疊闆方式來解決，其原理爲利緩沖材料的非對稱放置達到PCB闆雙面升溫速度不一樣，從而影響不同CTE芯柏樹在升溫和降溫階段的漲縮來解決變形量不一緻的問題。表4是在某款結構不對稱闆件上的試驗結果。
通過不對稱疊法，以及壓合後增加後固化流程，并在出貨前進行校平操作，此闆最終滿足客戶2.0mm的要求。
3 其他生産流程
PCB生産流程中，除壓合外還有阻焊、字符化以及熱風整平幾個高溫處理流程，其中阻焊、字符後的烘闆最高溫度150℃在前文提到過此溫度在普通Tg材料Tg點以上，此時材料爲高彈态，容易在外力下變形，所以要避免烘闆時疊闆防止下層闆被壓彎，同時要烘闆時保證闆件方向與吹風方向平行。在熱風整平加工時則要保證闆件出錫爐平放冷卻30s以上，避免高溫下過後處理的冷水洗導緻驟冷變形。
除生産流程外，PCB闆件在各工位的存儲也對變形有一定的影響，在一些廠家由于待産較多、場地狹小的原因，會将多架闆堆放在一起存儲，這也會導緻闆件受外力變形，由于PCB闆也有一定塑性，所以這些變形在後面的校平工序也不會得到100%的恢複。
4 出貨前校平
大多數PCB廠家在出貨前都會有校平流程，這是因爲在加工過程中不可避免的會産生受熱或機械力産生的闆件變形，在出貨前通過機械校平或熱烘校平可以得到有效改善。受阻焊以及表面塗覆層的耐熱性影響，一般烘闆溫度在140℃~150℃以下，剛好超過普通材料Tg溫度，這對普通闆的校平有很大好處，而對于高Tg材料的校平作用則沒那麽明顯，所以在個别闆翹嚴重的高Tg闆上可以适當提高烘闆溫度，但要主要油墨和塗覆層質量。同時烘闆時壓重、增加随爐冷卻時間的做法也對變形有一定改善作用，表5爲不同壓重和爐冷時間對闆件校平作用的試驗結果，從其中可以看到增加壓重和延長爐冷時間對變形的校平都有明顯作用。
上一篇：
RGB LED等三種LED白光成形原理
下一篇：
功率半導體GaO開始挑戰GaN和SiC
