PCB變形的原因和改進(jìn)
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(duì)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(duì)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(duì)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)?，因?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(duì)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(duì)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(duì)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(jiǎn)要討論。
覆銅板材：銅包覆板是雙面的，結(jié)構(gòu)對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)稱，材料不對(duì)稱和圖形不對(duì)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(duì)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(duì)比測(cè)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(duì)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
