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    PCB变形的原因及改

      发布时间:2018-03-14 02:29

      其中做好内层图形的芯板的膨胀由于图形分布与芯板厚度或者材料特性不同而不同,当图形分布与芯板厚度或者材料特性不同而不同,当图形分布比较均匀,材料类型一致,不会产生变形。当PCB板层压结构存在不对称或者图形分布不均匀时会导致不同芯板的CTE差异较大,从而在压合过程中产生变形。其变形机理可通过以下原理解释。

      假设有两种CTE相差较大的芯板通过半固化片压合在一起,其中A芯板CTE为1.5x10-5/℃,芯板长度均为1000mm。在压合过程作为粘结片的半固化片,则经过软化、流动并填充图形、固化三个阶段将两张芯板粘合在一起。

      图1为普通FR-4树脂在不同升温速率下的动粘底曲线℃左右开始流动,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,其变形量可以通过各自的CTE和温度变化值得到。

      见图2,压合时会在高温下保持一段时间,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,两种芯板结合在一起.当温度下降时,如无层间树脂束缚,芯板会回复至初始长度,并不会产生变形,但实际上两张芯板在高温时已经被固化的树脂粘合,在降温过程中不能随意收缩,其中A芯板应该收缩3.75mm,实际上当收缩大于2.25mm时会受到A芯板的阻碍,为达成两芯板间的受力平衡,B芯板不能收缩到3.75mm,而A芯板收缩会大于2.25mm,从而使整板向B芯板方向变曲,如图2所示。

      根据上述分析可知,PCB板的层压结构、材料类型已经图形分布是否均匀,直接影响了不同芯板以及铜箔之间的CTE差异,在压合过程中的涨缩差异会通过半固化片的固片过程而被保留并最终形成PCB板的变形。

      覆铜板来料:覆铜板均为双面板,结构对称,无图形,铜箔与玻璃布CTE相差无几,所以在压合过程中几乎不会产生因CTE不同引起的变形。但是,覆铜板压机尺寸大,热盘不同区域存在温差,会导致压合过程中不同区域树脂固化速度和程度有细微差异,同时不同升温速率下的动黏度也有较大差异,所以也会产生由于固化过程差异带来的局部应力。一般这种应力会在压合后维持平衡,但会在日后的加工中逐渐释放产生变形。

      压合:PCB压合工序是产生热应力的主要流程,其中由于材料或结构不同产生的变形见上一节的分析。与覆铜板压合类似,也会产生固化过程差异带来的局部应力,PCB板由于厚度更厚、图形分布多样、半固化片更多等原因,其热应力也会比覆铜板更多更难消除。而PCB板中存在的应力,在后继钻孔、外形或者烧烤等流程中释放,导致板件产生变形。

      阻焊、字符等烘烤流程:由于阻焊油墨固化时不能互相堆叠,所以PCB板都会竖放在架子里烘板固化,阻焊温度150℃左右,刚好超过中低Tg材料的Tg点,Tg点以上树脂为高弹态,板件容易在自重或者烘箱强风作用下变形。

      热风焊料整平:普通板热风焊料整平时锡炉温度为225℃~265℃,时间为3S-6S。热风温度为280℃~300℃.焊料整平时板从室温进锡炉,出炉后两分钟内又进行室温的后处理水洗。整个热风焊料整平过程为骤热骤冷过程。由于电路板材料不同,结构又不均匀,在冷热过程中必然会出现热应力,导致微观应变和整体变形翘区。

      Tg是玻璃转换温度,也就是材料由玻璃态转变成橡胶态的温度,Tg值越低的材料,表示其板子进入回焊炉后开始变软的速度越快,而且变成柔软橡胶态的时间也会变长,板子的变形量当然就会越严重。采用较高Tg的板材就可以增加其承受应力变形的能力,但是相对地材料的价钱也比较高。

      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,甚至作到了0.6mm的厚度,这样的厚度要保持板子在经过回焊炉不变形,真的有点强人所难,建议如果没有轻薄的要求,板子最好可以使用1.6mm的厚度,可以大大降低板弯及变形的风险。

      既然大部分的回焊炉都采用链条来带动电路板前进,尺寸越大的电路板会因为其自身的重量,在回焊炉中凹陷变形,所以尽量把电路板的长边当成板边放在回焊炉的链条上,就可以降低电路板本身重量所造成的凹陷变形,把拼板数量降低也是基于这个理由,也就是说过炉的时候,尽量用窄边垂直过炉方向,可以达到最低的凹陷变形量。

      如果上述方法都很难作到,最后就是使用过炉托盘 (reflow carrier/template) 来降低变形量了,过炉托盘可以降低板弯板翘的原因是因为不管是热胀还是冷缩,都希望托盘可以固定住电路板等到电路板的温度低于Tg值开始重新变硬之后,还可以维持住园来的尺寸。

      如果单层的托盘还无法降低电路板的变形量,就必须再加一层盖子,把电路板用上下两层托盘夹起来,这样就可以大大降低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回收托盘。

      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,同时在压合以后的加工过程中,烘烤温度最高150℃,对低Tg材料的影响肯定会大于中高Tg材料。

      表3为两种边框设计板件的对比试验结果。之所以两种边框形式变形表现不同,是因为连续形铜皮边框强度高,在压合及拼板加工过程中刚性比较大,使板件内残余应力不容易释放,集中在外形加工后释放,导致变形更严重。而非连续形铜点边框则在压合及后继加工过程中逐步释放应力,在外形后单板变形较小。

      压合对变形的影响至关重要,通过合理的参数设置、压机选择和叠板方式等可以有效减少应力的产生。针对一般的结构对称的板件,一般需要注意压合时对称叠板,并对称放置工具板、缓冲材料等辅助工具。同时选择冷热一体压机压合对减少热应力也有明显帮助,原因为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点以上失压并快速冷却会导致热应力迅速释放产生变形,而冷热一体压机可实现热压末段降温,避免板件在高温下失压。

      同时,对于客户特殊的需要,不可避免的会存在一些材料或者结构不对称的板件,此时前文分析的由于CTE不同带来的变形将会非常明显,针对这种问题我们可以尝试使用非对称的叠板方式来解决,其原理为利缓冲材料的非对称放置达到PCB板双面升温速度不一样,从而影响不同CTE芯柏树在升温和降温阶段的涨缩来解决变形量不一致的问题。表4是在我司某款结构不对称板件上的试验结果。

      PCB生产流程中,除压合外还有阻焊、字符化以及热风整平几个高温处理流程,其中阻焊、字符后的烘板最高温度150℃在前文提到过此温度在普通Tg材料Tg点以上,此时材料为高弹态,容易在外力下变形,所以要避免烘板时叠板防止下层板被压弯,同时要烘板时保证板件方向与吹风方向平行。在热风整平加工时则要保证板件出锡炉平放冷却30s以上,避免高温下过后处理的冷水洗导致骤冷变形。

      除生产流程外,PCB板件在各工位的存储也对变形有一定的影响,在一些厂家由于待产较多、场地狭小的原因,会将多架板堆放在一起存储,这也会导致板件受外力变形,由于PCB板也有一定塑性,所以这些变形在后面的校平工序也不会得到100%的恢复。

      大多数PCB厂家在出货前都会有校平流程,这是因为在加工过程中不可避免的会产生受热或机械力产生的板件变形,在出货前通过机械校平或热烘校平可以得到有效改善。受阻焊以及表面涂覆层的耐热性影响,一般烘板温度在140℃~150℃以下,刚好超过普通材料Tg温度,这对普通板的校平有很大好处,而对于高Tg材料的校平作用则没那么明显,所以在个别板翘严重的高Tg板上可以适当提高烘板温度,但要主要油墨和涂覆层质量。同时烘板时压重、增加随炉冷却时间的做法也对变形有一定改善作用,表5为不同压重和炉冷时间对板件校平作用的试验结果,从其中可以看到增加压重和延长炉冷时间对变形的校平都有明显作用。

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