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PCB电路板产生变形的具体原因分析

电路板颠末回流焊时大年夜多轻易发生板弯板翘,严重的话以致会造成元件空焊、立碑等环境,应若何降服呢?

1、PCB线路板变形的迫害

在自动化外面贴装线上,电路板若不平整,会引起定位不准,元器件无法插装或贴装到板子的孔和外面贴装焊盘上,以致会撞坏自动插装机。装上元器件的电路板焊接后发生弯曲,元件脚很难剪平划一。板子也无法装到机箱或机内的插座上,以是,装置厂碰着板翘同样是十分烦恼。今朝的外面贴装技巧正在朝着高精度、高速率、智能化偏向成长,这就对做为各类元器件家园的PCB板提出了更高的平整度要求。

在IPC标准平分外指出带有外面贴装器件的PCB板容许的最大年夜变形量为0.75%,没有外面贴装的PCB板容许的最大年夜变形量为1.5%。实际上,为满意高精度和高速率贴装的需求,部分电子装联厂家对变形量的要求加倍严格,如我公司有多个客户要求容许的最大年夜变形量为0.5%,以致有个别客户要求0.3%。

PCB板由铜箔、树脂、玻璃布等材料组成,各材料物理和化学机能均不相同,压合在一路后一定会孕育发生热应力残留,导致变形。同时在PCB的加工历程中,会颠末高温、机器切削、湿处置惩罚等各类流程,也会对板件变形孕育发生紧张影响,总之可以导致PCB板变形的缘故原由繁杂多样,若何削减或打消因为材料特点不合或者加工引起的变形,成为PCB制造商面临的最繁杂问题之一。

2、变形孕育发生缘故原由阐发

PCB板的变形必要从材料、布局、图形散播、加工制程等几个方面进行钻研,本文将对可能孕育发生变形的各类缘故原由和改良措施进行阐发和阐述。

电路板上的铺铜面面积不平均,会恶化板弯与板翘。

一样平常电路板上都邑设计有大年夜面积的铜箔来算作接地之用,无意偶尔候Vcc层也会有设计有大年夜面积的铜箔,当这些大年夜面积的铜箔不能平均地分佈在同一片电路板上的时刻,就会造成吸热与散热速率不平均的问题,电路板当然也会热胀冷缩,假如涨缩不能同时就会造成不合的应力而变形,这时刻板子的温度假如已经达到了Tg值的上限,板子就会开始软化,造成永远的变形。

电路板上各层的贯穿毗连点(vias,过孔)会限定板子涨缩。

现今的电路板大年夜多为多层板,而且层与层之间会有向铆钉一样的连接点(vias),贯穿毗连点又分为通孔、盲孔与埋孔,有贯穿毗连点的地方会限定板子涨冷缩的效果,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

一样平常回焊炉都邑应用链条来带动电路板于回焊炉中的提高,也便因此板子的两边当支点撑起整片板子,假如板子上面有过重的零件,或是板子的尺寸过大年夜,就会由于本身的种量而出现出中心凹陷的征象,造成板弯。

V-Cut的深浅及连接条会影响拼板变形量

基础上V-Cut便是破坏板子布局的首恶,由于V-Cut便是在原本一大年夜张的板材上切出沟槽来,以是V-Cut的地方就轻易发生变形。(相关涉猎:电路板去板边—V-Cut 分板机)

2.1压合材料、布局、图形对板件变形的响阐发

PCB板由芯板和半固化片以及外层铜箔压合而成,此中芯板与铜箔在压应时受热变形,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)为阁下

而通俗FR-4基材在Tg点下Z向CTE为;

TG点以上为(250~350)X10-6,X向CTE因为玻璃布存在,一样平常与铜箔类似。

/*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)。也便是说,Tg是基材维持刚性的最高温度(℃)。也便是说通俗PCB基板材料在高温下,不只孕育发生软化、变形、熔融等征象,同时还表现在机器、电气特点的急剧下降。

一样平常Tg的板材为130度以上,高Tg一样平常大年夜于170度,中等Tg约大年夜于150度。

平日Tg≥170℃的PCB印制板,称作高Tg印制板。

基板的Tg前进了,印制板的耐热性、耐湿润性、耐化学性、耐稳定性等特性都邑前进和改良。TG值越高,板材的耐温度机能越好 ,尤其在无铅制程中,高Tg利用对照多。

高Tg指的是高耐热性。跟着电子工业的飞跃成长,分外因此谋略机为代表的电子产品,向着高功能化、高多层化成长,必要PCB基板材料的更高的耐热性作为紧张的包管。以SMT、CMT为代表的高密度安装技巧的呈现和成长,使PCB在小孔径、精细线路化、薄型化方面,越来越离不开基板高耐热性的支持。

以是一样平常的FR-4与高Tg的FR-4的差别:是在热态下,分外是在吸湿后受热下,其材料的机器强度、尺寸稳定性、粘接性、吸水性、热分化性、热膨胀性等各类环境存在差异,高Tg产品明贵显好于通俗的PCB基板材料。

此中做好内层图形的芯板的膨胀因为图形散播与芯板厚度或者材料特点不合而不合,当图形散播与芯板厚度或者材料特点不合而不合,当图形散播对照平均,材料类型同等,不会孕育发生变形。当PCB板层压布局存在纰谬称或者图形散播不平均时会导致不合芯板的CTE差异较大年夜,从而在压合历程中孕育发生变形。其变形机理可经由过程以下道理说明。

图1通俗半固化片动粘度曲线

假设有两种CTE相差较大年夜的芯板经由过程半固化片压合在一路,此中A芯板CTE为1.5x10-5/℃,芯板长度均为1000mm。在压合历程作为粘结片的半固化片,则颠末软化、流动并添补图形、固化三个阶段将两张芯板粘合在一路。

图1为通俗FR-4树脂在不合升温速度下的动粘底曲线,一样平常环境下,材料从90℃阁下开始流动,并在达到TG点以上开始交联固化,在固化之前半固化片为自由状态,此时芯板和铜箔处在受热后自由膨胀状态,其变形量可以经由过程各自的CTE和温度变更值获得。

模拟压合前提,温度从30℃升至180℃,此时两种芯板变形量分手为

△LA=(180℃~30℃)x1.5x10-5m/℃X1000mm=2.25mm

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

此时因为半固化尚在自由状态,两种芯板一长一短,互不过问,尚未发生变形。

见图2,压应时会在高温下维持一段光阴,直到半固化完全固化,此时树脂变成固化状态,不能随意流动,两种芯板结合在一路。当温度下降时,如无层间树脂束缚,芯板会回覆至初始长度,并不会孕育发生变形,但实际上两张芯板在高温时已经被固化的树脂粘合,在降温历程中不能随意紧缩,此中A芯板应该紧缩3.75mm,实际上当紧缩大年夜于2.25mm时会受到A芯板的阻碍,为杀青两芯板间的受力平衡,B芯板不能紧缩到3.75mm,而A芯板紧缩会大年夜于2.25mm,从而使整板向B芯板偏向变曲,如图2所示。

图2不合CTE芯板压合历程中变形示意

根据上述阐发可知,PCB板的层压布局、材料类型已经图形散播是否平均,直接影响了不合芯板以及铜箔之间的CTE差异,在压合历程中的涨缩差异会经由过程半固化片的固片历程而被保留并终极形成PCB板的变形。

2.2 PCB板加工历程中引起的变形

PCB板加工历程的变形缘故原由异常繁杂可分为热应力和机器应力两种应力导致。此中热应力主要孕育发生于压合历程中,机器应力主要孕育发生板件堆放、搬运、烘烤历程中。下面按流程顺序做简单评论争论。

覆铜板来料:覆铜板均为双面板,布局对称,无图形,铜箔与玻璃布CTE相差无几,以是在压合历程中险些不会孕育发生因CTE不合引起的变形。然则,覆铜板压机尺寸大年夜,热盘不合区域存在温差,会导致压合历程中不合区域树脂固化速率和程度有细微差异,同时不合升温速度下的动黏度也有较大年夜差异,以是也会孕育发生因为固化历程差异带来的局部应力。一样平常这种应力会在压合后保持平衡,但会在日后的加工中徐徐开释孕育发生变形。

压合:PCB压合工序是孕育发生热应力的主要流程,此中因为材料或布局不合孕育发生的变形见上一节的阐发。与覆铜板压合类似,也会孕育发生固化历程差异带来的局部应力,PCB板因为厚度更厚、图形散播多样、半固化片更多等缘故原由,其热应力也会比覆铜板更多更难打消。而PCB板中存在的应力,在后继钻孔、形状或者烧烤等流程中开释,导致板件孕育发生变形。

阻焊、字符等烘烤流程:因为阻焊油墨固化时不能相互堆叠,以是PCB板都邑竖放在架子里烘板固化,阻焊温度150℃阁下,刚好跨越中低Tg材料的Tg点,Tg点以上树脂为高弹态,板件轻易在自重或者烘箱强风感化下变形。

热风焊料整平:通俗板热风焊料全日常平凡锡炉温度为225℃~265℃,光阴为3S-6S。热风温度为280℃~300℃。焊料全日常平凡板从室温进锡炉,出炉后两分钟内又进行室温的后处置惩罚水洗。全部热风焊料整平历程为骤热骤冷历程。因为电路板材料不合,布局又不平均,在冷热历程中一定会呈现热应力,导致微不雅应变和整体变形翘区。

寄放:PCB板在半成品阶段的寄放一样平常都坚插在架子中,架子松紧调剂的分歧适,或者寄放历程中堆叠放板等都邑使板件产活力器变形。尤其对付2.0mm以下的薄板影响更为严重。

除以上身分以外,影响PCB变形的身分还有很多。

3、改良对策

那要若何才可以防止板子过回焊炉发生板弯及板翘的情形呢?

1. 低落温度对板子应力的影响

既然「温度」是板子应力的主要,只要低落回焊炉的温度或是调慢板子在回焊炉中升温及冷却的速率,就可以大年夜大年夜地低落板弯及板翘的情形发生。不过可能会有其他副感化就事了。

2. 采纳高Tg的板材

Tg是玻璃转换温度,也便是材料由玻璃态改变成橡胶态的温度,Tg值越低的材料,表示其板子进入回焊炉后开始变软的速率越快,而且变成柔嫩橡胶态的光阴也会变长,板子的变形量当然就会越严重。採用较高Tg的板材就可以增添其遭遇应力变形的能力,然则相对地材料的价钱也对照高。

3. 增添电路板的厚度

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,以致作到了0.6mm的厚度,这样的厚度要维持板子在颠末回焊炉不变形,真的有点强人所难,建议假如没有轻薄的要求,板子最好可以应用1.6mm的厚度,可以大年夜大年夜低落板弯及变形的风险。

4. 削减电路板的尺寸与削减拼板的数量

既然大年夜部分的回焊炉都採用链条来带动电路板提高,尺寸越大年夜的电路板会由于其自身的重量,在回焊炉中凹陷变形,以是只管即便把电路板的长边当成板边放在回焊炉的链条上,就可以低落电路板本身重量所造成的凹陷变形,把拼板数量低落也是基于这个来由,也便是说过炉的时刻,只管即便用窄边垂直过炉偏向,可以达到最低的凹陷变形量。

5. 应用过炉托盘治具

假如上述措施都很难作到,着末便是应用过炉托盘 (reflow carrier/template) 来低落变形量了,过炉托盘可以低落板弯板翘的缘故原由是由于不管是热胀照样冷缩,都盼望托盘可以固定住电路板等到电路板的温度低于Tg值开始从新变硬之后,还可以保持住园来的尺寸。

假如单层的托盘还无法低落电路板的变形量,就必须再加一层盖子,把电路板用高低两层托盘夹起来,这样就可以大年夜大年夜低落电路板过回焊炉变形的问题了。不过这过炉托盘挺贵的,而且还得加人工来置放与收受接收托盘。

6. 改用实连接、邮票孔,替代V-Cut的分板应用

既然V-Cut会破坏电路板间拼板的布局强度,那就只管即便不要应用V-Cut的分板,或是低落V-Cut的深度。

实连接:采纳走刀式分板机

邮票孔

PCB临盆工程中的优化:

不合材料对板件变形的影响

将不合材料板件变形超标缺陷率进行统计,结果见表1。

从表中可以看到,低Tg材料变形缺陷率要高于高Tg材料,上表所列高Tg材料均为填料形材料,CTE均小于低Tg材料,同时在压合今后的加工历程中,烘烤温度最高150℃,对低Tg材料的影响肯定会大年夜于中高Tg材料。

工程设计钻研

工程设计应该只管即便避免布局纰谬称、材料纰谬称、图形纰谬称的设计,以削减变形的孕育发生,同时在钻研历程还发明芯板直接压合布局比铜箔压合布局更轻易变形,表2为两种布局板件的试验结果。

从表2可以看出两种布局变形分歧格的缺陷率有显着差别,可以理解为芯板压合布局由三张芯板组成,不合芯板间的涨缩以及应力变更更繁杂,更难以打消。

在工程设计,拼板边框形式对变形也有较大年夜影响,一样平常PCB工厂会存在继续大年夜铜皮边框和非继续的铜点或铜块边框,也有不合差别。

表3为两种边框设计板件的比较试验结果。之以是两种边框形式变形体现不合,是由于继续形铜皮边框强度高,在压合及拼板加工历程中刚性对照大年夜,使板件内残存应力不轻易开释,集中在形状加工后开释,导致变形更严重。而非继续形铜点边框则在压合及后继加工历程中慢慢开释应力,在形状后单板变形较小。

以上为工程设计小涉及到的一些可能的影响身分,如能在设计时机动运用。可以削减因设计带来的变形影响。

3.3压合钻研

压合对变形的影响至关紧张,经由过程合理的参数设置、压机选择和叠板要领等可以有效削减应力的孕育发生。针对一样平常的布局对称的板件,一样平常必要留意压应时对称叠板,并对称放置对象板、缓冲材料等帮助对象。同时选择冷热一体压机压合对削减热应力也有显着赞助,原由于冷热分体压机在高温下(GT温度以上)将板件转到冷压机,材料在Tg点以上掉压并快速冷却会导致热应力迅速开释孕育发生变形,而冷热一体压机可实现热压末段降温,避免板件在高温下掉压。

同时,对付客户特殊的必要,弗成避免的会存在一些材料或者布局纰谬称的板件,此时前文阐发的因为CTE不合带来的变形将会异常显着,针对这种问题我们可以考试测验应用非对称的叠板要领来办理,其道理为利缓冲材料的非对称放置达到PCB板双面升温速率不一样,从而影响不合CTE芯柏树在升平平安和降温阶段的涨缩来办理变形量不同等的问题。表4是在我司某款布局纰谬称板件上的试验结果。

经由过程纰谬称叠法,以及压合后增添后固化流程,并在出货提高行校平操作,此板终极满意客户2.0mm的要求。

3.4其他临盆流程

PCB临盆流程中,除压合外还有阻焊、字符化以及热风整平几个高温处置惩罚流程,此中阻焊、字符后的烘板最高温度150℃在前文提到过此温度在通俗Tg材料Tg点以上,此时材料为高弹态,轻易在外力下变形,以是要避免烘板时叠板防止下层板被压弯,同时要烘板时包管板件偏向与吹风偏向平行。在热风整平加工时则要包管板件出锡炉平放冷却30s以上,避免高温下过后处置惩罚的冷水洗导致骤冷变形。

除临盆流程外,PCB板件在各工位的存储也对变形有必然的影响,在一些厂家因为待产较多、园地狭小的缘故原由,会将多架板堆放在一路存储,这也会导致板件受外力变形,因为PCB板也有必然塑性,以是这些变形在后面的校平工序也不会获得100%的规复。

3.5出货前校平

大年夜多半PCB厂家在出货前都邑有校平流程,这是由于在加工历程中弗成避免的会孕育发生受热或机器力孕育发生的板件变形,在出货前经由过程机器校平或热烘校平可以获得有效改良。受阻焊以及外面涂覆层的耐热性影响,一样平常烘板温度在140℃~150℃以下,刚好跨越通俗材料Tg温度,这对通俗板的校平有很大年夜好处,而对付高Tg材料的校平感化则没那么显着,以是在个别板翘严重的高Tg板上可以适当前进烘板温度,但要主要油墨和涂覆层质量。同时烘板时压重、增添随炉冷却光阴的做法也对变形有必然改良感化,表5为不合压重和炉冷光阴对板件校平感化的试验结果,从此中可以看到增添压重和延长炉冷光阴对变形的校平都有显着感化。

责任编辑;zl

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