PCB生產(chǎn)過程中產(chǎn)生變形的原因及改善

1、PCB生產(chǎn)過程中產(chǎn)生變形的原因 及改善PCB生產(chǎn)過程中產(chǎn)生變形的原因及改善（劉海龍）（深南電路有限公司，廣東深圳518053）摘要隨著表面安裝和芯片安裝時代的到來，下游客戶對電路板平整度的要求必定 越來越嚴(yán)格.本文圍繞印制電路板設(shè)備和制造的全流程，重點研究了壓合、阻焊、 整平、出貨前校平等制程對板件變形的影響。并根據(jù)試驗結(jié)果和生產(chǎn)經(jīng)驗提出了 一些有效的控制板件交形的方法。1前言在自動化表面貼裝線上，電路板若不平整，會引 起定位不準(zhǔn),元器件無法插裝或貼裝到板子的孔 和表面貼裝焊盤上，甚至?xí)矇淖詣硬逖b機。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。板子也無法裝到機箱或機內(nèi)的插座上,

2、 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，這就對做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板允許的最大變形量為0.75%,沒有表面貼 裝的PCB板允許的最大變形量為1.5%。實際上, 為滿足高精度和高速度貼裝的需求，部分電子裝 聯(lián)廠家對變形量的要求更加嚴(yán)格,如我公司有多 個客戶要求允許的最大變形量為0.5%,甚至有個 別客戶要求03%。PCB板由銅箔、樹脂、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 然會產(chǎn)生熱應(yīng)力殘留，導(dǎo)致變形。同時在PCB的 加工過程中,

3、會經(jīng)過高溫、機械切削、濕處理等 各種流程，也會對板件變形產(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制造商面臨的最復(fù)雜問題之一。2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、 加工制程等幾個方面進(jìn)行研究，本文將對可能產(chǎn) 生變形的各種原因和改善方法進(jìn)行分析和闡述。2. 1壓合材料、結(jié)構(gòu)、圖形對板件變形的響 分析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T

4、g點下Z向CTE為（5070）X10-6, TG 點以上為（250350） X10-6, X 向CTE由于玻璃布存在，一般與銅箔類似。其中 做好內(nèi)層圖形的芯板的膨脹由于圖形分布與芯 板厚度或者材料特性不同而不同，當(dāng)圖形分布與 芯板厚度或者材料特性不同而不同，當(dāng)圖形分布 比較均勻，材料類型一致，不會產(chǎn)生變形。當(dāng)PCB板層壓結(jié)構(gòu)存在不對稱或者圖形分布不均 勻時會導(dǎo)致不同芯板的CTE差異較大，從而在 壓合過程中產(chǎn)生變形。其變形機理可通過以下原 理解釋。假設(shè)有兩種CTE相差較大的芯板通過半固化 片壓合在一起,其中A芯板CTE為1.5x10-5/, 芯板長度均為1000mm。在壓合過程作為粘結(jié) 片的半固

5、化片，則經(jīng)過軟化、流動并填充圖形、化三個階段將兩張芯板粘合在一起。圖1為普 通FR-4樹脂在不同升溫速率下的動粘底曲線, 一般情況下，材料從90C左右開始流動，并在 達(dá)到TG點以上開始交聯(lián)固化，在固化之前半固 化片為自由狀態(tài)，此時芯板和銅箔處在受熱后自 由膨脹狀態(tài),其變形量可以通過各自的CTE和溫 度變化值得到,模擬壓合條件,溫度從30C升至 180，此時兩種芯板變形量分別為4LA=(180 30 )x1.5x10-5m/X1000mm=2.25mm5ALB=(18030)X2,5X10-5M/X1000mm=3.75mm .此 時由于半固化尚在自由狀態(tài)，兩種芯板一長一短, 互不干涉,尚未發(fā)生

6、變形,見圖2,壓合時會在高溫 下保持一段時間,直到半固化完全固化，此時樹脂 變成固化狀態(tài)，不能隨意流動，兩種芯板結(jié)合在一 起.當(dāng)溫度下降時，如無層間樹脂束縛，芯板會回 復(fù)至初始長度，并不會產(chǎn)生變形，但實際上兩張芯 板在高溫時已經(jīng)被固化的樹脂粘合，在降溫過程 中不能隨意收縮，其中A芯板應(yīng)該收縮3.75mm, 實際上當(dāng)收縮大于2.25mm時會受到A芯板的 阻礙，為達(dá)成兩芯板間的受力平衡,B芯板不能收 縮到3.75mm,而A芯板收縮會大于2.25mm,從 而使整板向B芯板方向變曲，如圖2所示.圖1普通半固化片動粘度曲線圖2不同CTE芯板壓合過程中變形示意根據(jù)上述分析可知”PCB板的層壓結(jié)構(gòu)、材料 類

7、型已經(jīng)圖形分布是否均勻，直接影響了不同芯 板以及銅箔之間的CTE差異，在壓合過程中的 漲縮差異會通過半固化片的固片過程而被保 并最終形成PCB板的變形。2. 2PCB板加工過程中引起的變形PCB板加工過程的變形原因非常復(fù)雜可分為 熱應(yīng)力和機械應(yīng)力兩種應(yīng)力導(dǎo)致。其中熱應(yīng)力主 要產(chǎn)生于壓合過程中，機械應(yīng)力主要產(chǎn)生板件堆 放、搬運、烘烤過程中。下面按流程順序做簡單 討論。覆銅板來料：覆銅板均為雙面板，結(jié)構(gòu)對稱, 無圖形，銅箔與玻璃布CTE相差無幾，所以在 壓合過程中幾乎不會產(chǎn)生因CTE不同引起的變形。但是，覆銅板鴨樹壓機尺寸大，熱盤不同區(qū) 域存在溫差，會導(dǎo)致壓合過程中不同區(qū)域樹脂固 化速度和程度有細(xì)

8、微差異，同時不同升溫速率下 的動粘度也有較大差異，所以也會產(chǎn)生由于固化 過程差異帶來的局部應(yīng)力。一般這種應(yīng)力會在壓 合后維持平衡，但會在日后的加工逐漸釋放產(chǎn)生 變形。壓合：PCB壓合工序是產(chǎn)生熱應(yīng)力的主要流 程，其中由于材料或結(jié)構(gòu)不同產(chǎn)生的變形見上一 節(jié)的分析。與覆銅板壓合類似，也會產(chǎn)生固化過 程差異帶來的局部應(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。阻焊、字符等烘烤流程：由于阻焊油墨固化時 不能互相堆疊，所以PCB板都會豎放在架子里 烘板固化，阻焊溫度

9、150C左右，剛好超過中低Tg材料的Tg點，Tg點以上樹脂為高彈態(tài), 件容易在自重或者烘箱強風(fēng)作用下變形。熱風(fēng)焊料整平：普通板熱風(fēng)焊料整平時錫爐溫 度為225265,時間為3s6S。熱風(fēng)溫度為 280C300C.焊料整平時板從室溫進(jìn)錫爐，出爐 后兩分鐘內(nèi)又進(jìn)行室溫的后處理水洗。整個熱風(fēng) 焊料整平過程為驟熱驟冷過程。由于電路板材料 不同，結(jié)構(gòu)又不均勻，在冷熱過程中必然會出現(xiàn) 熱應(yīng)力，導(dǎo)致微觀應(yīng)變和整體變形翹區(qū)。存放：PCB板在半成品階段的存放一般都堅 插在架子中，架子松緊調(diào)整的不合適，或者存放 過程中堆疊放板等都會使板件產(chǎn)生機械變形。尤 其對于2.0mm以下的薄板影響更為嚴(yán)重。除以上因素以外，影

10、響PCB變形的因素還有 很多，但一般的機械變形都可以在最終的出貨前 校平過程中得到有效改善，在此不描述。3試驗研究和改善對策根據(jù)以上分析，我們從來料、工程設(shè)計、過程 控制、出貨校平幾方面進(jìn)行研究，并提出一系列 改善方案。3.1不同材料對板件變形的影響根據(jù)我司出貨前檢驗數(shù)據(jù)，將不同材料板件變 形超標(biāo)缺陷率進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見表1。從表中可以看到，低Tg材料變形缺陷率要高 于高Tg材料，上表所列高Tg材料均為填料形 材料，CTE均小于低Tg材料，同時在壓合以后 的加工過程中，烘烤溫度最高150C,對低Tg 材料的影響肯定會大于中高Tg材料。3. 2工程設(shè)計研究工程設(shè)計應(yīng)該盡量避免結(jié)構(gòu)不對稱、材料不對

11、稱、圖形不對稱的設(shè)計，以減少變形的產(chǎn)生，同 時在研究過程還發(fā)現(xiàn)芯板直接壓合結(jié)構(gòu)比銅箔 壓合結(jié)構(gòu)更容易變形，表2為兩種結(jié)構(gòu)板件的試 驗結(jié)果。從表2可以看出兩種結(jié)構(gòu)變形不合格的缺陷 率有明顯區(qū)別，可以理解為芯板壓合結(jié)構(gòu)由三張 芯板組成，不同芯板間的漲縮以及應(yīng)力變化更復(fù) 雜，更難以消除。在工程設(shè)計，拼板邊框形式對變形也有較大影 響，一般PCB工廠會存在連續(xù)大銅皮邊框和非 連續(xù)的銅點或銅塊邊框，我們對此也進(jìn)行了試驗 研究，發(fā)現(xiàn)也有不同區(qū)別。表3為兩種邊框設(shè)計 板件的對比試驗結(jié)果。之所以兩種邊框形式變形 表現(xiàn)不同，是因為連續(xù)形銅皮邊框強度高，在壓 合及拼板加工過程中剛性比較大，使板件內(nèi)殘余 應(yīng)力不容易釋

12、放，集中在外形加工后釋放，導(dǎo)致 變形更嚴(yán)重。而非連續(xù)形銅點邊框則在壓合及后 繼加工過程中逐步釋放應(yīng)力，在外形后單板變形 較小。以上為工程設(shè)計小涉及到的一些可能的影響 因素，如能在設(shè)計時靈活運用?？梢詼p少因設(shè)計 帶來的變形影響。3. 3壓合研究壓合對變形的影響至關(guān)重要，通過合理的參數(shù) 設(shè)置、壓機選擇和疊板方式等可以有效減少應(yīng)力 的產(chǎn)生。針對一般的結(jié)構(gòu)對稱的板件，一般需要 注意壓合時對稱疊板，并對稱放置工具板、緩沖 材料等輔助工具。同時選擇冷熱一體壓機壓合對減少熱應(yīng)力也有明顯幫助，原因為冷熱分體壓機 在高溫下（GT溫度以上）將板件轉(zhuǎn)到冷壓機, 材料在Tg點以上失壓并快速冷卻會導(dǎo)致熱應(yīng)力 迅速釋放產(chǎn)

13、生變形，而冷熱一體壓機可實現(xiàn)熱壓 末段降溫，避免板件在高溫下失壓。同時，對于客戶特殊的需要，不可避免的會存 在一些材料或者結(jié)構(gòu)不對稱的板件，此時前文分 析的由于CTE不同帶來的變形將會非常明顯, 針對這種問題我們可以嘗試使用非對稱的疊板 方式來解決，其原理為利緩沖材料的非對稱放置 達(dá)到PCB板雙面升溫速度不一樣，從而影響不 同CTE芯柏樹在升溫和降溫階段的漲縮來解決 變形量不一致的問題。表4是在我司某款結(jié)構(gòu)不 對稱板件上的試驗結(jié)果。通過不對稱疊法，以及壓合后增加后固化流 程，并在出貨前進(jìn)行校平操作，此板最終滿足客 戶2.0mm的要求。3. 4其他生產(chǎn)流程PCB生產(chǎn)流程中，除壓合外還有阻焊、字符

14、 化以及熱風(fēng)整平幾個高溫處理流程，其中阻焊、 字符后的烘板最高溫度150C在前文提到過此 溫度在普通Tg材料Tg點以上，此時材料為高 彈態(tài)，容易在外力下變形，所以要避免烘板時疊 板防止下層板被壓彎，同時要烘板時保證板件方 向與吹風(fēng)方向平行。在熱風(fēng)整平加工時則要保證 板件出錫爐平放冷卻30s以上，避免高溫下過后 處理的冷水洗導(dǎo)致驟冷變形。除生產(chǎn)流程外，PCB板件在各工位的存儲也 對變形有一定的影響，在一些廠家由于待產(chǎn)較 多、場地狹小的原因，會將多架板堆放在一起存 儲，這也會導(dǎo)致板件受外力變形，由于PCB板 也有一定塑性，所以這些變形在后面的校平工序 也不會得到100%的恢復(fù)。3.5出貨前校平大多數(shù)PCB廠家在出貨前都會有校平流程， 這是因為在加工過程中不可避免的會產(chǎn)生受熱 或機械力產(chǎn)生的板件變形，在出貨前通過機械校 平或熱烘校平可以得到有效改善。受阻焊以及表面涂覆層的耐熱性影響，一般烘板溫度在140C 150以下，剛好超過普通材料Tg溫度，這對 普通板的校平有很大好處，而對于高Tg材料的 校平作用則沒那么明顯，所以在個別板翹嚴(yán)重的 高Tg板上可以適當(dāng)提高烘板溫度，但要主要油 墨和涂覆層質(zhì)量。同時烘板時壓重、增加隨爐冷 卻時間的做法也對變形有一定改善作用，表5