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PCB板为何弯曲?

为什么,我的PCB板子说弯就弯?


Q&A


SMT制程中,电路板经过回流焊时很容易发生翘曲,严重的话甚至会造成元件空焊、立碑等不良,请问应如何克服呢?


PCB板翘曲的原因或许都不太一样,但最后应该都可以归咎到施加于PCB板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PCB板翘曲的结果。


那板子上所承受的应力又来自何方?


其实回流焊制程中最大的应力来源就是温度了,温度不但会使电路板变软,还会扭曲电路板,再加上热膨胀系数(CTE)的因素及热胀冷缩的材料特性,这就形成PCB板翘曲。


至于为什么有些板子的翘曲程度不同?个人认为主要有这么几个方面的原因:


NO.1 电路板上的铺铜面面积不均匀,会恶化PCB板翘曲


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布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。

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NO.2 电路板上各层的过孔(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像铆钉一样的过孔(via),过孔又分为通孔、盲孔与埋孔,有过孔的地方会限制板子冷涨缩的效果,也会间接造成PCB板翘曲。

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NO.3 电路板本身的重量会造成板子翘曲变形

一般回流焊的炉子都会使用链条来带动电路板向前传递,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,就会因为本身的重量而呈现出中间凹陷的现象,造成翘曲。

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NO.4 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。

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针对上述提到的问题,在设计和生产时就要特别注意下述的一些情况,才能比较好地避免板子翘曲:


NO.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PCB板翘曲的情形发生。不过可能会有其他副作用发生,比如说焊锡短路。


NO.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,但是相对的材料的价钱也比较高。


NO.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PCB板翘曲及变形的风险。


NO.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。


NO.5 使用过炉托盘治具

如果上述方法都很难做到,最后就是使用过炉托盘 (回流焊 carrier/template) 来降低电路板的变形量了,找元器件现货上唯样商城过炉托盘治具可以降低PCB板翘曲的原理是因为治具材质一般会选用铝合金或合成石具有耐高温的特性,所以电路板经过回焊炉的高温热胀与之后冷却下来的冷缩,托盘都可以起到稳住电路板的功能,等到电路板的温度低于Tg值开始恢复变硬后,还可以维持住原来的尺寸。


如果单层的托盘治具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。


NO.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。



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  • 2021-08-23 15:27
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