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PCB翹曲度原因及解決辦法!

作者:博維科技 時(shí)間:2022-12-13 13:44

為了正確放置SMT組件,PCB必須保持完全平整。為了準確放置,貼片機必須將SMT組件釋放到所有組件的電路板上方相同高度。



如果PCB有翹曲,也就是說(shuō)不平整,則機器在將元件放置在電路板上時(shí),在釋放元件時(shí)無(wú)法保持恒定的高度——這會(huì )影響放置的準確性,尤其是對于細間距元件。

此外,平面PCB有助于在回流期間將SMT組件保持在適當的位置。如果回流爐內的高溫導致電路板平整度發(fā)生變化,則SMT組件可能會(huì )因為它們漂浮在熔融焊料上而滑出位置,從而導致焊料橋接和開(kāi)路。

一、什么是PCB翹曲?

PCB通常由玻璃纖維和其他一些復合材料制成,大多數PCB僅層壓一次并且非常簡(jiǎn)單。

PCB翹曲就是PCB形狀改變了,具體的如下圖所示,很明顯的PCB翹曲。
圖片1.png
PCB翹曲
 
 
二、PCB翹曲標準是多少?

根據IPS標準,所需貼裝PCB的翹曲度(WD)應小于或等于0.75%。也就是說(shuō),當WD大于0.75%時(shí),應判斷為翹板,或缺陷產(chǎn)品。

實(shí)際上,在不安裝元件而只需要插件的情況下,板的平整度要求更低,WD標準可以小于或等于1.5%。

當然,有些廠(chǎng)家為了滿(mǎn)足更高的客戶(hù)需求,他們可以追求更嚴格的標準,有些WD標準需要小于或等于0.5%,甚至這個(gè)要求達到小于或等于0.3%。

三、PCB翹曲度的計算公式

翹曲,顧名思義,就是PCB印制板是否平整,能否完美地插入板子的孔洞和表面貼裝焊盤(pán)中。

翹曲通常是指塑件表面未按設計形狀成型的變形。影響翹曲的因素很多,所以在生產(chǎn)過(guò)程中一定要注意。畢竟,每一個(gè)微小的錯誤都可能使整個(gè)電路板報廢。那么如何計算PCB的翹曲?

PCB翹曲度計算公式:

翹曲=單角翹曲高度/(PCB對角線(xiàn)長(cháng)度*2)*100%

圖片2.png

PCB翹曲度計算公式

在自動(dòng)插線(xiàn)中,如果PCB不平整,會(huì )造成定位不準,甚至會(huì )導致自動(dòng)插機死機。如果在元件焊接后板子彎曲,非常難以整齊地切割元件腳,最終會(huì )導致PCB電路板無(wú)法安裝在機箱或機器中的插座中,相當于報廢了一個(gè)一塊電路板。如果廠(chǎng)家遇到PCB翹曲就是一件很心疼的事情。(主要是心疼錢(qián))

四、PCB翹曲原因

1、PCB翹曲原因

1)電路板本身的重量會(huì )導致板子凹陷變形

一般回流爐是用鏈條帶動(dòng)電路板在回流爐內向前移動(dòng),即以板子兩側為支點(diǎn)支撐整塊板子。

如果板子上有重物,或者板子尺寸過(guò)大,由于板子的量,中間會(huì )出現凹陷,導致板子彎曲。

2)V-cut太深,導致兩側V-cut處翹曲

基本上,V-Cut是破壞板子結構的罪魁禍首,因為V-Cut在原大片材上切槽,所以V-Cut容易翹曲。

材料、結構、圖形對板翹曲的影響:PCB由芯板、半固化片和外層銅箔壓制而成。芯板和銅箔在壓在一起時(shí)會(huì )因熱而變形。翹曲量取決于兩種材料的熱膨脹系數(CTE)。

銅箔的熱膨脹系數(CTE)約為17X10-6;而普通FR-4基材Tg點(diǎn)下Z向CTE為(5070)X10-6;TG點(diǎn)以上為(250350)X10-6,由于玻璃布的存在,X方向CTE一般與銅箔相近。

2、PCB加工過(guò)程中引起的翹曲

PCB加工翹曲的原因很復雜,可以分為熱應力和機械應力。

其中,熱應力主要在壓制過(guò)程中產(chǎn)生,機械應力主要在板材的堆垛、搬運和烘烤過(guò)程中產(chǎn)生。

1)來(lái)料覆銅板過(guò)程中引起的PCB翹曲

覆銅板均為雙面,結構對稱(chēng),無(wú)圖形。銅箔和玻璃布的CTE幾乎相同,因此在壓制過(guò)程中幾乎沒(méi)有因CTE不同而引起的翹曲。

但覆銅板壓機尺寸較大,熱板不同區域的溫差會(huì )導致壓合過(guò)程中不同區域的樹(shù)脂固化速度和固化程度略有差異。同時(shí),不同升溫速率下的動(dòng)態(tài)粘度也有較大差異,因此也會(huì )因固化過(guò)程的不同而產(chǎn)生局部應力。

一般這種應力在壓制后會(huì )保持平衡,但在以后的加工過(guò)程中會(huì )逐漸釋放和變形。

2)PCB壓制過(guò)程中引起的PCB翹曲

PCB壓制過(guò)程是產(chǎn)生熱應力的主要過(guò)程。與覆銅板的壓制類(lèi)似,也會(huì )因固化工藝的不同而產(chǎn)生局部應力。由于厚度較厚,圖案分布多樣,預浸料較多,熱應力會(huì )比覆銅板更難消除。

PCB板中的應力在隨后的鉆孔、成型或燒烤過(guò)程中釋放,導致板變形。

3)阻焊層和絲印烘烤過(guò)程中引起的PCB翹曲

由于在固化過(guò)程中阻焊油墨不能相互堆疊,PCB板將放置在機架中烘烤板固化。

阻焊溫度在150℃左右,超過(guò)覆銅板的Tg值,PCB容易軟化導致不能耐高溫。造商必須均勻加熱基板的兩面,同時(shí)保持加工時(shí)間盡可能短,以減少基板的翹曲。

圖片3.png 

PCB翹曲

4)PCB冷卻和加熱過(guò)程中引起的PCB翹曲

錫爐溫度225℃-265℃,普通板熱風(fēng)焊料整平時(shí)間3s-6s。熱風(fēng)溫度為280℃-300℃。

焊料整平后,板子從常溫下放入錫爐,出爐后兩分鐘內進(jìn)行常溫后處理水洗。整個(gè)熱風(fēng)焊錫整平過(guò)程是一個(gè)突然加熱和冷卻的過(guò)程。

由于電路板的材料不同,結構不均勻,在冷卻和加熱過(guò)程中不可避免地會(huì )出現熱應力,導致微觀(guān)應變和整體變形翹曲區域。

<圖片4.png 

5)儲存不當造成的PCB翹曲

PCB板在半成品階段的存放,一般都是牢固地插在貨架上,貨架的松緊度沒(méi)有調整好,或者存放過(guò)程中板子的堆放會(huì )導致板子發(fā)生機械變形。

尤其是2.0mm以下的薄板,影響更為嚴重。

3、工程設計的原因

1、電路板上的銅表面積不均勻,一側多,另一側少。線(xiàn)條稀疏的地方,表面張力會(huì )比密集的地方弱,溫度過(guò)高會(huì )導致板翹曲。

2、由于特殊的介質(zhì)或阻抗關(guān)系,層壓結構可能不對稱(chēng),導致板子翹曲。

3、板子本身的鏤空位置太大而且很多,溫度太高容易翹曲。

4、板上的面板數量過(guò)多,面板之間的間距是空心的,尤其是矩形板,也容易翹曲。

五、PCB翹曲怎么改善?

1、PCB設計時(shí)的注意事項

1)板內鋪銅,增加版面張力。

當板長(cháng)80mm以上無(wú)銅,板厚小于1.0mm時(shí),會(huì )導致板翹。

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銅前

如果板子不能壓合,又不能加厚,就采用重壓翹板。

圖片6.png 

鍍銅后

2)鏤空區域覆銅,加上工藝

當板子空心位置太多,板子太大時(shí),回流焊后容易彎曲。

在PCB的制造過(guò)程中,所有介電層之間分布均勻。然而,正是銅層分布不均勻導致PCB翹曲發(fā)生。為防止翹曲,設計工程師必須平衡電路板每一層上的銅圖案與電路面積。設計工程師還必須平衡元件布局、裝配分布和熱分布以減少翹曲。

圖片7.png 

鏤空區域覆銅,加上工藝

例如,如果最外面的頂面有一個(gè)大的銅表面,而最外面的底面只有很少的銅跡線(xiàn),那么PCB在蝕刻后將有更大的翹曲趨勢。設計工程師必須確保兩個(gè)外層的線(xiàn)圖案面積盡可能匹配。如果兩側的銅面積差異很大,則設計人員最好在薄側添加一個(gè)單獨的銅網(wǎng)格以平衡兩者。

圖片8.png 

鍍銅前

建議:在鏤空區域鍍銅,減少板子翹曲;另外,如果板子內部不影響功能,也要鋪銅;最后一個(gè)建議是加工藝邊,邊工藝邊鋪銅。

圖片9.png 

鍍銅后

3)芯板與PP板為同一品牌

多層板的芯板和PP板必須是同一品牌,否則板子會(huì )翹曲。

比如6層板的pp片材不對稱(chēng):2-3芯板的pp片材薄,4-5芯板的pp片材厚,這樣一壓就翹了被壓了出來(lái)。因此,芯板和PP片材必須是同一品牌,以保證厚度一致,保證多層板PP片材的對稱(chēng)性。

4)層預浸料的排列保持對稱(chēng)

制造商必須確保層間預浸料的排列保持對稱(chēng)。例如,對于六層板,1-2層和5-6層之間的厚度最好相同,包括預浸料片的數量。這將防止層壓后翹曲。

圖片10.png 

層預浸料的排列保持對稱(chēng)

2、PCB加工過(guò)程中的注意事項

1)切割前的PCB

覆銅板切割前對PCB進(jìn)行烘烤(150℃,時(shí)間8±2小時(shí))的目的是為了去除板子中的水分,同時(shí)使板子中的樹(shù)脂完全固化,進(jìn)一步消除電路板中的剩余應力,這對于防止電路板翹曲很有用。

目前,很多雙面、多層板仍堅持下料前或下料后的烘烤步驟。但是,有些板廠(chǎng)也有例外。目前PCB廠(chǎng)的烘干時(shí)間也不一致,4-10小時(shí)不等。建議根據生產(chǎn)的印制板等級和客戶(hù)對翹曲的要求來(lái)決定。

整塊烤好后切割成拼圖或下料后再烤,兩種方法都是可行的。建議切割后烤板,內板也應該烤。

2)預浸料的經(jīng)緯度

預浸料貼合后,經(jīng)緯向收縮率不同,落料和貼合時(shí)必須區分經(jīng)緯向,否則容易造成成品板貼合后翹曲,即使對烤板施加壓力也難以矯正。

造成多層板翹曲的原因很多是由于層壓時(shí)預浸料在經(jīng)緯方向上沒(méi)有區分,隨意堆放。

如何區分經(jīng)緯度?軋制預浸料的軋制方向為經(jīng)向,寬度方向為緯向;對于銅箔板,長(cháng)邊為緯向,短邊為經(jīng)向。如果你不確定,可以向制造商或供應商查詢(xún)。

3)貼合后應力消除

多層板經(jīng)過(guò)熱壓和冷壓后,取出、切割或銑掉毛刺,然后平放在150℃的烤箱中4小時(shí),逐漸釋放板內應力并使樹(shù)脂完全固化,這一步不能省略。

4)薄板在電鍍時(shí)需要矯直

0.4~0.6mm超薄多層板用于表面電鍍和圖案電鍍時(shí),應制作專(zhuān)用夾輥。在自動(dòng)電鍍線(xiàn)上將薄板夾在夾輥上后,用圓棒夾住整個(gè)夾輥。將滾輪串在一起,將滾輪上的所有板材拉直,使電鍍后的板材不會(huì )變形。

沒(méi)有這個(gè)措施,電鍍20到30um的銅層后,板材會(huì )彎曲,很難補救。

5)熱風(fēng)整平后板子的冷卻

PCB用熱風(fēng)整平時(shí),會(huì )受到焊錫槽的高溫(約250℃)的影響。取出后應放在平整的大理石或鋼板上自然冷卻,然后送至后處理機進(jìn)行清洗,這有利于防止電路板翹曲。

有的工廠(chǎng)為了提高鉛錫面的亮度,熱風(fēng)整平后立即將板子放入冷水中,幾秒鐘后取出進(jìn)行后處理。這種冷熱沖擊可能會(huì )導致某些類(lèi)型的電路板翹曲。扭曲、分層或起泡。

此外,可在設備上安裝氣浮床進(jìn)行冷卻。

六、PCB翹曲修復方法

1、PCB工序中PCB翹曲修復

在PCB工序中,翹曲比較大的板材通過(guò)輥式整平機挑出整平,然后進(jìn)入下一道工序。許多PCB制造商認為這種做法對于降低PCB成品板的翹曲率是有效的。

2、PCB成品板翹曲修復

對于成品,翹曲明顯超差,不能用輥式整平機整平。一些PCB廠(chǎng)將其放入小型壓力機(或類(lèi)似夾具)中以壓制翹曲的PCB板,停留幾個(gè)小時(shí)到十個(gè)小時(shí)進(jìn)行冷壓整平,從實(shí)際應用來(lái)看,這種做法的效果并不是很明顯。一是整平效果不大,二是壓平后的板子容易回彈(即翹曲恢復)。

有的PCB廠(chǎng)會(huì )把小壓機加熱到一定溫度,再對壓平的PCB板進(jìn)行熱壓,效果會(huì )比冷壓好,但壓力過(guò)大會(huì )導致線(xiàn)材變形;如果溫度過(guò)高會(huì )產(chǎn)生松香變色及其變色等缺陷。而且,無(wú)論是冷壓整平還是熱壓整平,都需要很長(cháng)時(shí)間(幾個(gè)小時(shí)到十幾個(gè)小時(shí))才能看到效果,壓平后的PCB板翹曲反彈比例也很高。

這里推薦了弓形模具的熱沖壓壓平方法。根據要平整的PCB面積,使用簡(jiǎn)單的弓形模具(見(jiàn)圖1)。這里,提出了兩種類(lèi)型的調平操作。

圖片11.png 

1)將翹曲的PCB板夾入弓形模具,放入烤箱烘烤整平方法:

翹曲的PCB板彎曲面對模具的曲面,調整夾具螺絲使PCB板向反方向變形翹曲,然后將帶有PCB板的模具放入烤箱中加熱到一定溫度進(jìn)行烘烤,烤一會(huì )兒。在加熱條件下,基板應力逐漸松弛,變形的PCB板恢復到平整狀態(tài)。但烘烤溫度不宜過(guò)高,以免松香變色或基材變黃。但溫度不宜過(guò)低,在較低溫度下完全松弛應力需要較長(cháng)時(shí)間。

一般可以將基材的玻璃化轉變溫度作為烘烤的參考溫度,玻璃化轉變溫度是樹(shù)脂的相變點(diǎn),在此溫度下聚合物鏈段可以重新排列,使基材應力充分松弛。

因為平整效果很明顯,用弓形模具壓扁的好處是投資很小??鞠涠伎梢栽赑CB工廠(chǎng)獲得。調平操作非常簡(jiǎn)單。如果翹板數量比較多,做幾個(gè)弓形模具就夠了。你可以將它們放入烤箱一次。模具少,干燥時(shí)間比較短(幾十分鐘左右),所以整平工作效率比較高。

2)將PCB板軟化后夾入弓形模具壓平方法:

對于翹曲變形比較小的PCB板,可以將待整平的PCB板放入已經(jīng)加熱到一定溫度的烘箱中(即溫度設定可參照基材的玻璃化轉變溫度確定,基材在烘箱中烘烤一定時(shí)間,觀(guān)察軟化情況確定。一般玻璃纖維布基材的烘烤溫度較高,紙基板的烘烤溫度可以低一些;厚板的烘烤溫度可以略高一些,薄板的烘烤溫度可以略低一些。

噴過(guò)松香的PCB板,烘烤溫度不宜過(guò)高。烘烤一定時(shí)間,然后取幾張到十幾張,夾入弓形模具,調整壓力螺絲,并使PCB板輕微翹曲,反方向變形。板子冷卻定型后,即可卸模,取出壓平的PCB板。

弓模壓平后PCB板翹曲低;即使經(jīng)過(guò)波峰焊后也基本可以保持平整狀態(tài);對PCB板外觀(guān)顏色的影響也很小。

PCB板翹曲是PCB制造商頭疼的問(wèn)題。它不僅降低了產(chǎn)量,而且影響了交貨時(shí)間。如果采用弧形模具進(jìn)行熱整平,且整平工藝合理合適,可以將翹曲的PCB板整平,解決交貨期問(wèn)題。

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