PCB设计｜最全印制板翘曲原因分析及防止方法

jay666

　　SMT又叫表面贴装技术，制做过程中，在一种加热环境下，焊锡膏受热融化，从而使得PCB焊盘通过焊锡膏合金与表面贴装元器件可靠的结合在一起。我们称这个过程为回流焊。电路板经过Reflow（回流焊）时大多容易发生板弯板翘，严重的话甚至会造成元件空焊、立碑等情况。

　　在自动化插装线上，印制板若不平整，会引起定位不准，元器件无法插装到板子的孔和表面贴装焊盘上，甚至会撞坏自动插装机。装上元器件的板子焊接后发生弯曲，元件脚很难剪平整齐。板子也无法装到机箱或机内的插座上，所以，装配厂碰到板翘同样是十分烦恼。目前，印制板已进入到表面安装和芯片安装的时代，装配厂对板翘的要求必定越来越严。

　　据美国IPC——6012（1996版）《刚性印制板的鉴定与性能规范》，用于表面安装印制板的允许最大翘曲和扭曲为0.75%，其它各种板子允许1.5%。这比IPC——RB——276（1992版）提高了对表面安装印制板的要求。目前，各电子装配厂许可的翘曲度，不管双面或多层，1.6mm厚度，通常是0.70——0.75%,不少SMT，BGA的板子，要求是0.5%。部分电子工厂正在鼓动把翘曲度的标准提高到0.3%, 测试翘曲度的方法遵照GB4677.5-84或IPC——TM——650.2.4.22B。把印制板放到经检定的平台上，把测试针插到翘曲度最大的地方，以测试针的直径，除以印制板曲边的长度，就可以计算出该印制板的翘曲度了。

　　那么在PCB制板过程中，造成板弯和板翘的原因有哪些？下面我们来探讨一下。

　　每个板弯与板翘所形成的原因或许都不太一样，但应该都可以归咎于施加于板子上的应力大过了板子材料所能承受的应力，当板子所承受的应力不均匀或是板子上每个地方抵抗应力的能力不均匀时，就会出现板弯及板翘的结果。以下是总结的造成板弯和板翘四大原因。

　　1. 电路板上的铺铜面面积不均匀，会恶化板弯与板翘。

　　一般电路板上都会设计有大面积的铜箔来当作接地之用，有时候Vcc层也会设计有大面积的铜箔，当这些大面积的铜箔不能均匀地分佈在同一片电路板上的时候，就会造成吸热与散热速度不均匀的问题，电路板当然也会热胀冷缩，如果涨缩不能同时就会造成不同的应力而变形，这时候板子的温度如果已经达到了Tg值的上限，板子就会开始软化，造成永久的变形。

　　2. 电路板本身的重量会造成板子凹陷变形

　　一般回焊炉都会使用链条来带动电路板于回焊炉中的前进，也就是以板子的两边当支点撑起整片板子，如果板子上面有过重的零件，或是板子的尺寸过大，就会因为本身的种量而呈现出中间凹陷的现象，造成板弯。

　　3. V-Cut的深浅及连接条会影响拼板变形量

　　基本上V-Cut就是破坏板子结构的元凶，因为V-Cut就是在原来一大张的板材上切出V型沟槽来，所以V-Cut的地方就容易发生变形。

　　4. 电路板上各层的连结点（vias）会限制板子涨缩

　　现今的电路板大多为多层板，而且层与层之间会有向铆钉一样的连接点（via），连结点又分为通孔、盲孔与埋孔，有连结点的地方会限制板子涨冷缩的效果，也会间接造成板弯与板翘。

　　那么我们在制造过程中如何更好的防止板翘曲的问题发生呢，下面总结了几个有效方法，希望能帮到大家。

　　1. 降低温度对板子应力的影响

　　既然「温度」是板子应力的主要来源，所以只要降低回焊炉的温度或是调慢板子在回焊炉中升温及冷却的速度，就可以大大地降低板弯及板翘的情形发生。不过可能会有其他副作用发生，比如说焊锡短路。

　　2. 采用高Tg的板材

　　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。

　　3. 增加电路板的厚度

　　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，甚至做到了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。

　　4. 减少电路板的尺寸与减少拼板的数量

　　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。

　　5. 使用过炉托盘治具

　　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，还可以维持住原来的尺寸。

　　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。

　　6. 改用Router替代V-Cut的分板使用

　　既然V-Cut会破坏电路板间拼板的结构强度，那就尽量不要使用V-Cut的分板，或是降低V-Cut的深度。

　　7. 工程设计中贯穿三点：

　　A.层间半固化片的排列应当对称，例如六层板，1——2和5——6层间的厚度和半固化片的张数应当一致，否则层压后容易翘曲。

　　B.多层板芯板和半固化片应使用同一供应商的产品。

　　C. 外层A面和B面的线路图形面积应尽量接近。若A面为大铜面，而B面仅走几根线，这种印制板在蚀刻后就很容易翘曲。如果两面的线路面积相差太大，可在稀的一面加一些独立的网格，以作平衡。

　　8. 半固化片的经纬向：

　　半固化片层压后经向和纬向收缩率不一样，下料和迭层时必须分清经向和纬向。否则，层压后很容易造成成品板翘曲，即使加压力烘板亦很难纠正。多层板翘曲的原因，很多就是层压时半固化片的经纬向没分清，乱迭放而造成的。

　　区别经纬向的方法：成卷的半固化片卷起的方向是经向，而宽度方向是纬向；对铜箔板来说长边时纬向，短边是经向，如不能确定可向生产商或供应商查询。

　　9. 下料前烘板：

　　覆铜板下料前烘板（150摄氏度，时间8±2小时）目的是去除板内的水分，同时使板材内的树脂完全固化，进一步消除板材中剩余的 应力，这对防止板翘曲是有帮助的。目前，许多双面、多层板仍坚持下料前或后烘板这一步骤。但也有部分板材厂例外，目前各PCB 厂烘板的时间规定也不一致，从4——10小时都有，建议根据生产的印制板的档次和客户对翘曲度的要求来决定。剪成拼板后烘还是整块大料烘后下料，二种方法都可行，建议剪料后烘板。内层板亦应烘板……

　　10. 层压后除应力 ：

　　多层板在完成热压冷压后取出，剪或铣掉毛边，然后平放在烘箱内150摄氏度烘4小时，以使板内的应力逐渐释放并使树脂完全固化，这一步骤不可省略。

　　11. 薄板电镀时需要拉直：

　　0.4——0.6mm超薄多层板作板面电镀和图形电镀时应制作特殊的夹辊，在自动电镀线上的飞巴上夹上薄板后，用一条圆棍把整条飞巴上的夹辊串起来，从而拉直辊上所有的板子，这样电镀后的板子就不会变形。若无此措施，经电镀二三十微米的铜层后，薄板会弯曲，而且难以补救。

　　12. 热风整平后板子的冷却：

　　印制板热风整平时经焊锡槽（约250摄氏度）的高温冲击，取出后应放到平整的大理石或钢板上自然冷却，在送至后处理机作清洗。这样对板子防翘曲很有好处。有的工厂为增强铅锡表面的亮度，板子热风整平后马上投入冷水中，几秒钟后取出在进行后处理，这种一热一冷的冲击，对某些型号的板子很可能产生翘曲，分层或起泡。另外设备上可加装气浮床来进行冷却。

　　13. 翘曲板子的处理：

　　管理有序的工厂，印制板在最终检验时会作100％的平整度检查。凡不合格的板子都将挑出来，放到烘箱内，在150摄氏度及重压下烘3——6小时，并在重压下自然冷却。然后卸压把板子取出，在作平整度检查，这样可挽救部分板子，有的板子需作二到三次的烘压才能整平。上海华堡DAILI的气压式板翘反直机经上海贝尔的使用在补救线路板翘曲方面有十分好的效果。若以上涉及的防翘曲的工艺 措施不落实，部分板子烘压也没用，只能报废。