最全印制板（PCB）翹曲原因分析及防止方法
發(fā)布時(shí)間：2020-12-31
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SMT又叫表面貼裝技術(shù)，制做過程中，在一種加熱環(huán)境下，焊錫膏受熱融化，從而使得PCB焊盤通過焊錫膏合金與表面貼裝元器件可靠的結(jié)合在一起。我們稱這個(gè)過程為回流焊。電路板經(jīng)過Reflow（回流焊）時(shí)大多容易發(fā)生板彎板翹，嚴(yán)重的話甚至?xí)斐稍蘸?、立碑等情況。
在自動(dòng)化插裝線上，印制板若不平整，會(huì)引起定位不準(zhǔn)，元器件無法插裝到板子的孔和表面貼裝焊盤上，甚至?xí)矇淖詣?dòng)插裝機(jī)。裝上元器件的板子焊接后發(fā)生彎曲，元件腳很難剪平整齊。板子也無法裝到機(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，印制板已進(jìn)入到表面安裝和芯片安裝的時(shí)代，裝配廠對(duì)板翹的要求必定越來越嚴(yán)。
據(jù)美國(guó)IPC——6012（1996版）《剛性印制板的鑒定與性能規(guī)范》，用于表面安裝印制板的允許最大翹曲和扭曲為0.75%，其它各種板子允許1.5%。這比IPC——RB——276（1992版）提高了對(duì)表面安裝印制板的要求。目前，各電子裝配廠許可的翹曲度，不管雙面或多層，1.6mm厚度，通常是0.70——0.75%,不少SMT，BGA的板子，要求是0.5%。部分電子工廠正在鼓動(dòng)把翹曲度的標(biāo)準(zhǔn)提高到0.3%, 測(cè)試翹曲度的方法遵照GB4677.5-84或IPC——TM——650.2.4.22B。把印制板放到經(jīng)檢定的平臺(tái)上，把測(cè)試針插到翹曲度最大的地方，以測(cè)試針的直徑，除以印制板曲邊的長(zhǎng)度，就可以計(jì)算出該印制板的翹曲度了。
那么在PCB制板過程中，造成板彎和板翹的原因有哪些？下面我們來探討一下。
每個(gè)板彎與板翹所形成的原因或許都不太一樣，但應(yīng)該都可以歸咎于施加于板子上的應(yīng)力大過了板子材料所能承受的應(yīng)力，當(dāng)板子所承受的應(yīng)力不均勻或是板子上每個(gè)地方抵抗應(yīng)力的能力不均勻時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)板彎及板翹的結(jié)果。以下是總結(jié)的造成板彎和板翹四大原因。
1. 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)有大面積的銅箔來當(dāng)作接地之用，有時(shí)候Vcc層也會(huì)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佈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)開始軟化，造成永久的變形。
2. 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，如果板子上面有過重的零件，或是板子的尺寸過大，就會(huì)因?yàn)楸旧淼姆N量而呈現(xiàn)出中間凹陷的現(xiàn)象，造成板彎。
3. 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)閂-Cut就是在原來一大張的板材上切出V型溝槽來，所以V-Cut的地方就容易發(fā)生變形。
4. 電路板上各層的連結(jié)點(diǎn)（vias）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)有向鉚釘一樣的連接點(diǎn)（via），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。
那么我們?cè)谥圃爝^程中如何更好的防止板翹曲的問題發(fā)生呢，下面總結(jié)了幾個(gè)有效方法，希望能幫到大家。
1. 降低溫度對(duì)板子應(yīng)力的影響
既然「溫度」是板子應(yīng)力的主要來源，所以只要降低回焊爐的溫度或是調(diào)慢板子在回焊爐中升溫及冷卻的速度，就可以大大地降低板彎及板翹的情形發(fā)生。不過可能會(huì)有其他副作用發(fā)生，比如說焊錫短路。
2. 采用高Tg的板材
Tg是玻璃轉(zhuǎn)換溫度，也就是材料由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變成橡膠態(tài)的溫度，Tg值越低的材料，表示其板子進(jìn)入回焊爐后開始變軟的速度越快，而且變成柔軟橡膠態(tài)的時(shí)間也會(huì)變長(zhǎng)，板子的變形量當(dāng)然就會(huì)越嚴(yán)重。采用較高Tg的板材就可以增加其承受應(yīng)力變形的能力，但是相對(duì)地材料的價(jià)錢也比較高。
3. 增加電路板的厚度
許多電子的產(chǎn)品為了達(dá)到更輕薄的目的，板子的厚度已經(jīng)剩下1.0mm、0.8mm，甚至做到了0.6mm的厚度，這樣的厚度要保持板子在經(jīng)過回焊爐不變形，真的有點(diǎn)強(qiáng)人所難，建議如果沒有輕薄的要求，板子最好可以使用1.6mm的厚度，可以大大降低板彎及變形的風(fēng)險(xiǎn)。
4. 減少電路板的尺寸與減少拼板的數(shù)量
既然大部分的回焊爐都采用鏈條來帶動(dòng)電路板前進(jìn)，尺寸越大的電路板會(huì)因?yàn)槠渥陨淼闹亓浚诨睾笭t中凹陷變形，所以盡量把電路板的長(zhǎng)邊當(dāng)成板邊放在回焊爐的鏈條上，就可以降低電路板本身重量所造成的凹陷變形，把拼板數(shù)量降低也是基于這個(gè)理由，也就是說過爐的時(shí)候，盡量用窄邊垂直過爐方向，可以達(dá)到最低的凹陷變形量。
5. 使用過爐托盤治具
如果上述方法都很難作到，最后就是使用過爐托盤 （reflow carrier/template） 來降低變形量了，過爐托盤可以降低板彎板翹的原因是因?yàn)椴还苁菬崦涍€是冷縮，都希望托盤可以固定住電路板等到電路板的溫度低于Tg值開始重新變硬之后，還可以維持住原來的尺寸。
如果單層的托盤還無法降低電路板的變形量，就必須再加一層蓋子，把電路板用上下兩層托盤夾起來，這樣就可以大大降低電路板過回焊爐變形的問題了。不過這過爐托盤挺貴的，而且還得加人工來置放與回收托盤。
6. 改用Router替代V-Cut的分板使用
既然V-Cut會(huì)破壞電路板間拼板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，那就盡量不要使用V-Cut的分板，或是降低V-Cut的深度。
7. 工程設(shè)計(jì)中貫穿三點(diǎn)：
A.層間半固化片的排列應(yīng)當(dāng)對(duì)稱，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，可在稀的一面加一些獨(dú)立的網(wǎng)格，以作平衡。
8. 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)緯向沒分清，亂迭放而造成的。
區(qū)別經(jīng)緯向的方法：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)銅箔板來說長(zhǎng)邊時(shí)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。
9. 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對(duì)翹曲度的要求來決定。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……
10. 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)力逐漸釋放并使樹脂完全固化，這一步驟不可省略。
11. 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，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。
12. 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，幾秒鐘后取出在進(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進(jìn)行冷卻。
13. 翹曲板子的處理：
管理有序的工廠，印制板在最終檢驗(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，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，在作平整度檢查，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。上海華堡DAILI的氣壓式板翹反直機(jī)經(jīng)上海貝爾的使用在補(bǔ)救線路板翹曲方面有十分好的效果。若以上涉及的防翹曲的工藝 措施不落實(shí)，部分板子烘壓也沒用，只能報(bào)廢。
在自動(dòng)化插裝線上，印制板若不平整，會(huì)引起定位不準(zhǔn)，元器件無法插裝到板子的孔和表面貼裝焊盤上，甚至?xí)矇淖詣?dòng)插裝機(jī)。裝上元器件的板子焊接后發(fā)生彎曲，元件腳很難剪平整齊。板子也無法裝到機(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，印制板已進(jìn)入到表面安裝和芯片安裝的時(shí)代，裝配廠對(duì)板翹的要求必定越來越嚴(yán)。
據(jù)美國(guó)IPC——6012（1996版）《剛性印制板的鑒定與性能規(guī)范》，用于表面安裝印制板的允許最大翹曲和扭曲為0.75%，其它各種板子允許1.5%。這比IPC——RB——276（1992版）提高了對(duì)表面安裝印制板的要求。目前，各電子裝配廠許可的翹曲度，不管雙面或多層，1.6mm厚度，通常是0.70——0.75%,不少SMT，BGA的板子，要求是0.5%。部分電子工廠正在鼓動(dòng)把翹曲度的標(biāo)準(zhǔn)提高到0.3%, 測(cè)試翹曲度的方法遵照GB4677.5-84或IPC——TM——650.2.4.22B。把印制板放到經(jīng)檢定的平臺(tái)上，把測(cè)試針插到翹曲度最大的地方，以測(cè)試針的直徑，除以印制板曲邊的長(zhǎng)度，就可以計(jì)算出該印制板的翹曲度了。
那么在PCB制板過程中，造成板彎和板翹的原因有哪些？下面我們來探討一下。
每個(gè)板彎與板翹所形成的原因或許都不太一樣，但應(yīng)該都可以歸咎于施加于板子上的應(yīng)力大過了板子材料所能承受的應(yīng)力，當(dāng)板子所承受的應(yīng)力不均勻或是板子上每個(gè)地方抵抗應(yīng)力的能力不均勻時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)板彎及板翹的結(jié)果。以下是總結(jié)的造成板彎和板翹四大原因。
1. 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)有大面積的銅箔來當(dāng)作接地之用，有時(shí)候Vcc層也會(huì)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佈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)開始軟化，造成永久的變形。
2. 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，如果板子上面有過重的零件，或是板子的尺寸過大，就會(huì)因?yàn)楸旧淼姆N量而呈現(xiàn)出中間凹陷的現(xiàn)象，造成板彎。
3. 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)閂-Cut就是在原來一大張的板材上切出V型溝槽來，所以V-Cut的地方就容易發(fā)生變形。
4. 電路板上各層的連結(jié)點(diǎn)（vias）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)有向鉚釘一樣的連接點(diǎn)（via），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。
那么我們?cè)谥圃爝^程中如何更好的防止板翹曲的問題發(fā)生呢，下面總結(jié)了幾個(gè)有效方法，希望能幫到大家。
1. 降低溫度對(duì)板子應(yīng)力的影響
既然「溫度」是板子應(yīng)力的主要來源，所以只要降低回焊爐的溫度或是調(diào)慢板子在回焊爐中升溫及冷卻的速度，就可以大大地降低板彎及板翹的情形發(fā)生。不過可能會(huì)有其他副作用發(fā)生，比如說焊錫短路。
2. 采用高Tg的板材
Tg是玻璃轉(zhuǎn)換溫度，也就是材料由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變成橡膠態(tài)的溫度，Tg值越低的材料，表示其板子進(jìn)入回焊爐后開始變軟的速度越快，而且變成柔軟橡膠態(tài)的時(shí)間也會(huì)變長(zhǎng)，板子的變形量當(dāng)然就會(huì)越嚴(yán)重。采用較高Tg的板材就可以增加其承受應(yīng)力變形的能力，但是相對(duì)地材料的價(jià)錢也比較高。
3. 增加電路板的厚度
許多電子的產(chǎn)品為了達(dá)到更輕薄的目的，板子的厚度已經(jīng)剩下1.0mm、0.8mm，甚至做到了0.6mm的厚度，這樣的厚度要保持板子在經(jīng)過回焊爐不變形，真的有點(diǎn)強(qiáng)人所難，建議如果沒有輕薄的要求，板子最好可以使用1.6mm的厚度，可以大大降低板彎及變形的風(fēng)險(xiǎn)。
4. 減少電路板的尺寸與減少拼板的數(shù)量
既然大部分的回焊爐都采用鏈條來帶動(dòng)電路板前進(jìn)，尺寸越大的電路板會(huì)因?yàn)槠渥陨淼闹亓浚诨睾笭t中凹陷變形，所以盡量把電路板的長(zhǎng)邊當(dāng)成板邊放在回焊爐的鏈條上，就可以降低電路板本身重量所造成的凹陷變形，把拼板數(shù)量降低也是基于這個(gè)理由，也就是說過爐的時(shí)候，盡量用窄邊垂直過爐方向，可以達(dá)到最低的凹陷變形量。
5. 使用過爐托盤治具
如果上述方法都很難作到，最后就是使用過爐托盤 （reflow carrier/template） 來降低變形量了，過爐托盤可以降低板彎板翹的原因是因?yàn)椴还苁菬崦涍€是冷縮，都希望托盤可以固定住電路板等到電路板的溫度低于Tg值開始重新變硬之后，還可以維持住原來的尺寸。
如果單層的托盤還無法降低電路板的變形量，就必須再加一層蓋子，把電路板用上下兩層托盤夾起來，這樣就可以大大降低電路板過回焊爐變形的問題了。不過這過爐托盤挺貴的，而且還得加人工來置放與回收托盤。
6. 改用Router替代V-Cut的分板使用
既然V-Cut會(huì)破壞電路板間拼板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，那就盡量不要使用V-Cut的分板，或是降低V-Cut的深度。
7. 工程設(shè)計(jì)中貫穿三點(diǎn)：
A.層間半固化片的排列應(yīng)當(dāng)對(duì)稱，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，可在稀的一面加一些獨(dú)立的網(wǎng)格，以作平衡。
8. 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)緯向沒分清，亂迭放而造成的。
區(qū)別經(jīng)緯向的方法：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)銅箔板來說長(zhǎng)邊時(shí)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。
9. 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對(duì)翹曲度的要求來決定。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……
10. 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)力逐漸釋放并使樹脂完全固化，這一步驟不可省略。
11. 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，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。
12. 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，幾秒鐘后取出在進(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進(jìn)行冷卻。
13. 翹曲板子的處理：
管理有序的工廠，印制板在最終檢驗(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，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，在作平整度檢查，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。上海華堡DAILI的氣壓式板翹反直機(jī)經(jīng)上海貝爾的使用在補(bǔ)救線路板翹曲方面有十分好的效果。若以上涉及的防翹曲的工藝 措施不落實(shí)，部分板子烘壓也沒用，只能報(bào)廢。
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