PCB 板為何會(huì)變形？有哪些危害？

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PCB板變形的危害

在自動(dòng)化表面貼裝線上，電路板若不平整，會(huì)引起定位不準(zhǔn)，元器件無(wú)法插裝或貼裝到板子的孔和表面貼裝焊盤(pán)上，甚至?xí)矇淖詣?dòng)插裝機(jī)。

裝上元器件的電路板焊接后發(fā)生彎曲，元件腳很難剪平整齊。板子也無(wú)法裝到機(jī)箱或機(jī)內(nèi)的插座上，所以，裝配廠碰到板翹同樣是十分煩惱。

目前的表面貼裝技術(shù)正在朝著高精度、高速度、智能化方向發(fā)展，這就對(duì)作為各種元器件家園的 PCB 板提出了更高的平整度要求。

在 IPC 標(biāo)準(zhǔn)中特別指出帶有表面貼裝器件的 PCB 板允許的變形量為 0.75%，沒(méi)有表面貼裝的 PCB 板允許的變形量為 1.5%。

實(shí)際上，為滿足高精度和高速度貼裝的需求，部分電子裝配廠家對(duì)變形量的要求更加嚴(yán)格，如有要求允許的變形量為 0.5%，甚至有個(gè)別要求 0.3%。

PCB 板由銅箔、樹(shù)脂、玻璃布等材料組成，各材料物理和化學(xué)性能均不相同，壓合在一起后必然會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力殘留，導(dǎo)致變形。

同時(shí)在 PCB 的加工過(guò)程中，會(huì)經(jīng)過(guò)高溫、機(jī)械切削、濕處理等各種流程，也會(huì)對(duì)板件變形產(chǎn)生重要影響，總之可以導(dǎo)致 PCB 板變形的原因復(fù)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，成為 PCB 制造商面臨的復(fù)雜問(wèn)題之一。

PCB板變形產(chǎn)生原因分析

PCB 板的變形需要從材料、結(jié)構(gòu)、圖形分布、加工制程等幾個(gè)方面進(jìn)行研究，文章將對(duì)可能產(chǎn)生變形的各種原因和改善方法進(jìn)行分析和闡述。

電路板上的鋪銅面面積不均勻，會(huì)惡化板彎與板翹。

一般電路板上都會(huì)設(shè)計(jì)有大面積的銅箔來(lái)當(dāng)作接地之用，有時(shí)候 Vcc 層也會(huì)有設(shè)計(jì)有大面積的銅箔，當(dāng)這些大面積的銅箔不能均勻地分布在同一片電路板上的時(shí)候，就會(huì)造成吸熱與散熱速度不均勻的問(wèn)題。

電路板當(dāng)然也會(huì)熱脹冷縮，如果漲縮不能同時(shí)就會(huì)造成不同的應(yīng)力而變形，這時(shí)候板子的溫度如果已經(jīng)達(dá)到了 Tg 值的上限，板子就會(huì)開(kāi)始軟化，造成的變形。

電路板上各層的連結(jié)點(diǎn)（vias，過(guò)孔）會(huì)限制板子漲縮 。

現(xiàn)今的電路板大多為多層板，而且層與層之間會(huì)有像鉚釘一樣的連接點(diǎn)（vias），連結(jié)點(diǎn)又分為通孔、盲孔與埋孔，有連結(jié)點(diǎn)的地方會(huì)限制板子漲冷縮的效果，也會(huì)間接造成板彎與板翹。

PCB 板變形的原因：

（1）電路板本身的重量會(huì)造成板子凹陷變形

一般回焊爐都會(huì)使用鏈條來(lái)帶動(dòng)電路板于回焊爐中的前進(jìn)，也就是以板子的兩邊當(dāng)支點(diǎn)撐起整片板子。

如果板子上面有過(guò)重的零件，或是板子的尺寸過(guò)大，就會(huì)因?yàn)楸旧淼闹亓慷尸F(xiàn)出中間凹陷的現(xiàn)象，造成板彎。

（2）V-Cut 的深淺及連接條會(huì)影響拼板變形量

基本上 V-Cut 就是破壞板子結(jié)構(gòu)的元兇，因?yàn)?V-Cut 就是在原來(lái)一大張的板材上切出溝槽來(lái)，所以 V-Cut 的地方就容易發(fā)生變形。

壓合材料、結(jié)構(gòu)、圖形對(duì)板件變形的影響：

PCB 板由芯板和半固化片以及外層銅箔壓合而成，其中芯板與銅箔在壓合時(shí)受熱變形，變形量取決于兩種材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）。

銅箔的熱膨脹系數(shù)（CTE）為 17X10-6 左右；而普通 FR-4 基材在 Tg 點(diǎn)下 Z 向 CTE 為（50~70）X10-6；TG 點(diǎn)以上為（250~350）X10-6，X 向 CTE 由于玻璃布存在，一般與銅箔類(lèi)似。

PCB板加工過(guò)程中引起的變形

PCB 板加工過(guò)程的變形原因非常復(fù)雜可分為熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力兩種應(yīng)力導(dǎo)致。

其中熱應(yīng)力主要產(chǎn)生于壓合過(guò)程中，機(jī)械應(yīng)力主要產(chǎn)生板件堆放、搬運(yùn)、烘烤過(guò)程中。下面按流程順序做簡(jiǎn)單討論。

1. 覆銅板來(lái)料：

覆銅板均為雙面板，結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，無(wú)圖形，銅箔與玻璃布 CTE 相差無(wú)幾，所以在壓合過(guò)程中幾乎不會(huì)產(chǎn)生因 CTE 不同引起的變形。

但是，覆銅板壓機(jī)尺寸大，熱盤(pán)不同區(qū)域存在溫差，會(huì)導(dǎo)致壓合過(guò)程中不同區(qū)域樹(shù)脂固化速度和程度有細(xì)微差異，同時(shí)不同升溫速率下的動(dòng)黏度也有較大差異，所以也會(huì)產(chǎn)生由于固化過(guò)程差異帶來(lái)的局部應(yīng)力。

一般這種應(yīng)力會(huì)在壓合后維持平衡，但會(huì)在日后的加工中逐漸釋放產(chǎn)生變形。

2. 壓合：

PCB 壓合工序是產(chǎn)生熱應(yīng)力的主要流程，與覆銅板壓合類(lèi)似，也會(huì)產(chǎn)生固化過(guò)程差異帶來(lái)的局部應(yīng)力，PCB 板由于厚度更厚、圖形分布多樣、半固化片更多等原因，其熱應(yīng)力也會(huì)比覆銅板更多更難消除。

而 PCB 板中存在的應(yīng)力，在后繼鉆孔、外形或者燒烤等流程中釋放，導(dǎo)致板件產(chǎn)生變形。

3. 阻焊、字符等烘烤流程：

由于阻焊油墨固化時(shí)不能互相堆疊，所以 PCB 板都會(huì)豎放在架子里烘板固化，阻焊溫度 150℃左右，剛好超過(guò)中低 Tg 材料的 Tg 點(diǎn)，Tg 點(diǎn)以上樹(shù)脂為高彈態(tài)，板件容易在自重或者烘箱強(qiáng)風(fēng)作用下變形。

4. 熱風(fēng)焊料整平：

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

焊料整平時(shí)板從室溫進(jìn)錫爐，出爐后兩分鐘內(nèi)又進(jìn)行室溫的后處理水洗。整個(gè)熱風(fēng)焊料整平過(guò)程為驟熱驟冷過(guò)程。

由于電路板材料不同，結(jié)構(gòu)又不均勻，在冷熱過(guò)程中必然會(huì)出現(xiàn)熱應(yīng)力，導(dǎo)致微觀應(yīng)變和整體變形翹曲。

5. 存放：

PCB 板在半成品階段的存放一般都豎插在架子中，架子松緊調(diào)整的不合適，或者存放過(guò)程中堆疊放板等都會(huì)使板件產(chǎn)生機(jī)械變形。尤其對(duì)于 2.0mm 以下的薄板影響更為嚴(yán)重。

除以上因素以外，影響 PCB 板變形的因素還有很多。

PCB板翹曲變形的預(yù)防

電路板翹曲對(duì)印制電路板的制作影響是非常大的，翹曲也是電路板制作過(guò)程中的重要問(wèn)題之一，裝上元器件的板子焊接后發(fā)生彎曲，組件腳很難整齊。

板子也無(wú)法裝到機(jī)箱或機(jī)內(nèi)的插座上，所以，電路板翹曲會(huì)影響到整個(gè)后序工藝的正常運(yùn)作。

現(xiàn)階段印制電路板已進(jìn)入到表面安裝和芯片安裝的時(shí)代，工藝對(duì)電路板翹曲的要求可謂是越來(lái)越高。所以我們要找到電路板翹曲的原因。

1. 工程設(shè)計(jì)：

印制板設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意事項(xiàng)：

A. 層間半固化片的排列應(yīng)當(dāng)對(duì)稱(chēng)，例如六層板，1～2 和 5～6 層間的厚度和半固化片的張數(shù)應(yīng)當(dāng)一致，否則層壓后容易翹曲。

B. 多層板芯板和半固化片應(yīng)使用同一供應(yīng)商的產(chǎn)品。

C. 外層 A 面和 B 面的線路圖形面積應(yīng)盡量接近。若 A 面為大銅面，而 B 面僅走幾根線，這種印制板在蝕刻后就很容易翹曲。如果兩面的線路面積相差太大，可在稀疏的一面加一些獨(dú)立的網(wǎng)格，以作平衡。

2. 下料前烘板：

覆銅板下料前烘板（150 攝氏度，時(shí)間 8±2 小時(shí)）目的是去除板內(nèi)的水分，同時(shí)使板材內(nèi)的樹(shù)脂完全固化，進(jìn)一步消除板材中剩余的應(yīng)力，這對(duì)防止板翹曲是有幫助的。

目前，許多雙面、多層板仍堅(jiān)持下料前或后烘板這一步驟。但也有部分板材廠例外，目前各 PCB 廠烘板的時(shí)間規(guī)定也不一致，從 4－10 小時(shí)都有，建議根據(jù)生產(chǎn)的印制板的檔次和客戶(hù)對(duì)翹曲度的要求來(lái)決定。

剪成拼板后烘還是整塊大料烘后下料，二種方法都可行，建議剪料后烘板。內(nèi)層板亦應(yīng)烘板。

3. 半固化片的經(jīng)緯向：

半固化片層壓后經(jīng)向和緯向收縮率不一樣，下料和迭層時(shí)必須分清經(jīng)向和緯向。否則，層壓后很容易造成成品板翹曲，即使加壓力烘板亦很難糾正。

多層板翹曲的原因，很多就是層壓時(shí)半固化片的經(jīng)緯向沒(méi)分清，亂迭放而造成的。

如何區(qū)分經(jīng)緯向？成卷的半固化片卷起的方向是經(jīng)向，而寬度方向是緯向；對(duì)銅箔板來(lái)說(shuō)長(zhǎng)邊是緯向，短邊是經(jīng)向，如不能確定可向生產(chǎn)商或供應(yīng)商查詢(xún)。

4. 層壓后除應(yīng)力 ：

多層板在完成熱壓冷壓后取出，剪或銑掉毛邊，然后平放在烘箱內(nèi) 150 攝氏度烘 4 小時(shí)，以使板內(nèi)的應(yīng)力逐漸釋放并使樹(shù)脂完全固化，這一步驟不可省略。

5. 薄板電鍍時(shí)需要拉直：

0.4～0.6mm 超薄多層板作板面電鍍和圖形電鍍時(shí)應(yīng)制作特殊的夾輥，在自動(dòng)電鍍線上的飛巴上夾上薄板后，用一條圓棍把整條飛巴上的夾輥串起來(lái)，從而拉直輥上所有的板子，這樣電鍍后的板子就不會(huì)變形。

若無(wú)此措施，經(jīng)電鍍二三十微米的銅層后，薄板會(huì)彎曲，而且難以補(bǔ)救。

6. 熱風(fēng)整平后板子的冷卻：

印制板熱風(fēng)整平時(shí)經(jīng)焊錫槽（約 250 攝氏度）的高溫沖擊，取出后應(yīng)放到平整的大理石或鋼板上自然冷卻，在送至后處理機(jī)作清洗。這樣對(duì)板子防翹曲很有好處。

有的工廠為增強(qiáng)鉛錫表面的亮度，板子熱風(fēng)整平后馬上投入冷水中，幾秒鐘后取出再進(jìn)行后處理，這種一熱一冷的沖擊，對(duì)某些型號(hào)的板子很可能產(chǎn)生翹曲，分層或起泡。

另外設(shè)備上可加裝氣浮床來(lái)進(jìn)行冷卻。

7. 翹曲板子的處理：

管理有序的工廠，印制板在終檢驗(yàn)時(shí)會(huì)作 100％的平整度檢查。凡不合格的板子都將挑出來(lái)，放到烘箱內(nèi)，在 150 攝氏度及重壓下烘 3～6 小時(shí)，并在重壓下自然冷卻。

然后卸壓把板子取出，再作平整度檢查，這樣可挽救部分板子，有的板子需作二到三次的烘壓才能整平。若以上涉及的防翹曲的工藝措施不落實(shí)，部分板子烘壓也沒(méi)用，只能報(bào)廢。

PCB翹曲度標(biāo)準(zhǔn)是多少

PCB翹曲其實(shí)也是指電路板彎曲，是指原本平整的電路板，放置桌面時(shí)兩端或中間出現(xiàn)在微微往上翹起，這種現(xiàn)象被業(yè)內(nèi)人士稱(chēng)為PCB翹曲。

電路板翹曲度計(jì)算公式將電路板平放在桌面上，電路板的四個(gè)角著地，測(cè)量中間拱起的高度，其計(jì)算方式是：翹曲度=拱起的高度/PCB長(zhǎng)邊長(zhǎng)度*100%。

電路板翹曲度行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：據(jù)美國(guó)IPC—6012(1996版)《剛性印制板的鑒定與性能規(guī)范》，生產(chǎn)電路板允許最大翹曲和扭曲為0.75%到1.5%之間，因每家工廠的制程能力不一樣，對(duì)于PCB翹曲把控要求也存在一定的差異，對(duì)于1.6板厚常規(guī)雙面多層電路板，大部分電路板生產(chǎn)廠家控制PCB翹曲度在0.70-0.75%之間，不少SMT、BGA的板子，要求在0.5%范圍內(nèi)，有些制程能力較強(qiáng)的線路板工廠可以將PCB翹曲度標(biāo)準(zhǔn)提高至0.3%。

在制造過(guò)程中，如何避免電路板翹曲

①各層間半固化排列應(yīng)該對(duì)稱(chēng)，比例六層電路板，1-2和5-6層間的厚度和半固化片的張數(shù)應(yīng)該一致;

②多層PCB芯板同固化片應(yīng)該使用同一家供應(yīng)商的產(chǎn)品;

③外層A面與B面的線路圖形面積應(yīng)盡量靠近，當(dāng)A面為大銅面，B面只有幾條線路時(shí)，這種情況在蝕刻后就很容易出現(xiàn)翹曲情況發(fā)生。

如何預(yù)防電路板翹曲

1、工程設(shè)計(jì)：層間半固化片排列應(yīng)對(duì)應(yīng);多層板芯板和半固化片應(yīng)使用同一供應(yīng)商產(chǎn)品;外層C/S面圖形面積盡量接近，可以采用獨(dú)立網(wǎng)格;

2、下料前烘板：一般150度6–10小時(shí)，排除板內(nèi)水汽，進(jìn)一步使樹(shù)脂固化完全，消除板內(nèi)的應(yīng)力;開(kāi)料前烘板，無(wú)論內(nèi)層還是雙面都需要!

3、多層板疊層壓板前應(yīng)注意板固化片的經(jīng)緯方向：經(jīng)緯向收縮比例不一樣，半固化片下料疊層前注意分清經(jīng)緯方向;芯板下料時(shí)也應(yīng)注意經(jīng)緯方向;一般板固化片卷方向?yàn)榻?jīng)向;覆銅板長(zhǎng)方向?yàn)榻?jīng)向;10層4OZ電源厚銅板

4、層壓厚消除應(yīng)力 壓板後冷壓，修剪毛邊;

5、鉆孔前烘板：150度4小時(shí);

6、薄板最好不經(jīng)過(guò)機(jī)械磨刷，建議采用化學(xué)清洗;電鍍時(shí)采用專(zhuān)用夾具，防止板彎曲折疊

7、噴錫後方在平整的大理石或鋼板上自然冷卻至室溫或氣浮床冷卻後清洗;

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