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            PCB翹曲度原因及解決辦法!

            作者:博維科技 時間: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,也就是說不平整,則機器在將元件放置在電路板上時,在釋放元件時無法保持恒定的高度——這會影響放置的準確性,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生變化,則SMT組件可能會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。
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            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,當WD大于0.75%時,應判斷為翹板,或缺陷產品。

            實際上,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,有些廠家為了滿足更高的客戶需求,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,所以在生產過程中一定要注意。畢竟,每一個微小的錯誤都可能使整個電路板報廢。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對角線長度*2)*100%

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            PCB翹曲度計算公式

            在自動插線中,如果PCB不平整,會造成定位不準,甚至會導致自動插機死機。如果在元件焊接后板子彎曲,非常難以整齊地切割元件腳,最終會導致PCB電路板無法安裝在機箱或機器中的插座中,相當于報廢了一個一塊電路板。如果廠家遇到PCB翹曲就是一件很心疼的事情。(主要是心疼錢)

            四、PCB翹曲原因

            1、PCB翹曲原因

            1)電路板本身的重量會導致板子凹陷變形

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

            如果板子上有重物,或者板子尺寸過大,由于板子的量,中間會出現凹陷,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會因熱而變形。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點下Z向CTE為(5070)X10-6;TG點以上為(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程中產生,機械應力主要在板材的堆垛、搬運和烘烤過程中產生。

            1)來料覆銅板過程中引起的PCB翹曲

            覆銅板均為雙面,結構對稱,無圖形。銅箔和玻璃布的CTE幾乎相同,因此在壓制過程中幾乎沒有因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導致壓合過程中不同區域的樹脂固化速度和固化程度略有差異。同時,不同升溫速率下的動態粘度也有較大差異,因此也會因固化過程的不同而產生局部應力。

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

            2)PCB壓制過程中引起的PCB翹曲

            PCB壓制過程是產生熱應力的主要過程。與覆銅板的壓制類似,也會因固化工藝的不同而產生局部應力。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、成型或燒烤過程中釋放,導致板變形。

            3)阻焊層和絲印烘烤過程中引起的PCB翹曲

            由于在固化過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,同時保持加工時間盡可能短,以減少基板的翹曲。

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            PCB翹曲

            4)PCB冷卻和加熱過程中引起的PCB翹曲

            錫爐溫度225℃-265℃,普通板熱風焊料整平時間3s-6s。熱風溫度為280℃-300℃。

            焊料整平后,板子從常溫下放入錫爐,出爐后兩分鐘內進行常溫后處理水洗。整個熱風焊錫整平過程是一個突然加熱和冷卻的過程。

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

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            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,貨架的松緊度沒有調整好,或者存放過程中板子的堆放會導致板子發生機械變形。

            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。線條稀疏的地方,表面張力會比密集的地方弱,溫度過高會導致板翹曲。

            2、由于特殊的介質或阻抗關系,層壓結構可能不對稱,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設計時的注意事項

            1)板內鋪銅,增加版面張力。

            當板長80mm以上無銅,板厚小于1.0mm時,會導致板翹。

            圖片5.png 

            銅前

            如果板子不能壓合,又不能加厚,就采用重壓翹板。

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            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,回流焊后容易彎曲。

            在PCB的制造過程中,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。

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            鏤空區域覆銅,加上工藝

            例如,如果最外面的頂面有一個大的銅表面,而最外面的底面只有很少的銅跡線,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外層的線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單獨的銅網格以平衡兩者。

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            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;最后一個建議是加工藝邊,邊工藝邊鋪銅。

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            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,否則板子會翹曲。

            比如6層板的pp片材不對稱: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。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片材的對稱性。

            4)層預浸料的排列保持對稱

            制造商必須確保層間預浸料的排列保持對稱。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。

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            層預浸料的排列保持對稱

            2、PCB加工過程中的注意事項

            1)切割前的PCB

            覆銅板切割前對PCB進行烘烤(150℃,時間8±2小時)的目的是為了去除板子中的水分,同時使板子中的樹脂完全固化,進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,有些板廠也有例外。目前PCB廠的烘干時間也不一致,4-10小時不等。建議根據生產的印制板等級和客戶對翹曲的要求來決定。

            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)預浸料的經緯度

            預浸料貼合后,經緯向收縮率不同,落料和貼合時必須區分經緯向,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預浸料在經緯方向上沒有區分,隨意堆放。

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

            3)貼合后應力消除

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

            4)薄板在電鍍時需要矯直

            0.4~0.6mm超薄多層板用于表面電鍍和圖案電鍍時,應制作專用夾輥。在自動電鍍線上將薄板夾在夾輥上后,用圓棒夾住整個夾輥。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變形。

            沒有這個措施,電鍍20到30um的銅層后,板材會彎曲,很難補救。

            5)熱風整平后板子的冷卻

            PCB用熱風整平時,會受到焊錫槽的高溫(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行清洗,這有利于防止電路板翹曲。

            有的工廠為了提高鉛錫面的亮度,熱風整平后立即將板子放入冷水中,幾秒鐘后取出進行后處理。這種冷熱沖擊可能會導致某些類型的電路板翹曲。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輥式整平機挑出整平,然后進入下一道工序。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廠將其放入小型壓力機(或類似夾具)中以壓制翹曲的PCB板,停留幾個小時到十個小時進行冷壓整平,從實際應用來看,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廠會把小壓機加熱到一定溫度,再對壓平的PCB板進行熱壓,效果會比冷壓好,但壓力過大會導致線材變形;如果溫度過高會產生松香變色及其變色等缺陷。而且,無論是冷壓整平還是熱壓整平,都需要很長時間(幾個小時到十幾個小時)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,使用簡單的弓形模具(見圖1)。這里,提出了兩種類型的調平操作。

            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行烘烤,烤一會兒。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。但烘烤溫度不宜過高,以免松香變色或基材變黃。但溫度不宜過低,在較低溫度下完全松弛應力需要較長時間。

            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脂的相變點,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工廠獲得。調平操作非常簡單。如果翹板數量比較多,做幾個弓形模具就夠了。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間,觀察軟化情況確定。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。

            噴過松香的PCB板,烘烤溫度不宜過高。烘烤一定時間,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;即使經過波峰焊后也基本可以保持平整狀態;對PCB板外觀顏色的影響也很小。

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

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