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PCB板彎板翹發生的原因與防止的方法
有網友問到「SMT製程中,電路板經過Reflow時大多容易發生板彎板翹,嚴重的話甚至會造成元件空焊、立碑等不良,請問應如何克服呢?」
老實說每個板彎與板翹所形成的原因或許都不太一樣,但最後應該都可以歸咎到施加於板子上的應力大過了板子材料所能承受的應力,當板子所承受的應力不均勻或是板子上每個地方抵抗應力的能力不一致時,就會出現板彎及板翹的結果。
那板子上所承受的應力又來自何方?其實在Reflow製程中最大的應力來源就是「溫度」了,溫度不但會使PCB變軟,還會扭曲PCB,再加上重力,還有熱膨脹係數(CTE)的因素及「熱脹冷縮」的材料特性,於焉形成板彎板翹的主因。
那為何有些板子的板彎與板翹程度不同呢?
在瞭解這個板彎與板翹問題前,建議你先參考一下【PCB爆板的真因剖析與防止】這篇文章,其中有些觀念會與下面談論的內容有關係。
1. 電路板上的鋪銅面積不均勻,會惡化板彎與板翹、留意板邊鋪銅
一般電路板上都會設計有大面積的銅箔來當作接地之用,有時候Vcc層也會設計有大面積的銅箔,當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候,就會造成吸熱與散熱速度不均勻的問題,電路板當然也會熱脹冷縮,如果漲縮不能同時就會造成不同的應力而變形,這時候板子的溫度如果已經達到了Tg值的上限,板子就會開始軟化,造成永久的變形。
特別提醒一下,有些人在設計PCB的時候不會特別去留意板邊有無鋪銅,其實板邊如果沒有鋪銅會特別容易在高溫下變形,現在比較多人的作法是將板邊的鋪銅均勻做成格子狀或是點狀來加強板邊的支撐力。
2. 電路板上各層的連結點(vias)會限制板子漲縮
現今的電路板大多為多層板(multilayer),而且層與層之間會有像鉚釘一樣的連接點(via),連結點又分為通孔、盲孔與埋孔,有連結點的地方會限制板子熱漲冷縮的效果,也會間接造成板彎與板翹。
3. 電路板本身的重量會造成板子凹陷變形
一般回焊爐都會使用鏈條來帶動電路板於回焊爐中的前進,也就是以板子的兩邊當支點撐起整片板子,如果板子上面有過重的零件,或是板子的尺寸過大,就會因為本身的重量而呈現出中間凹陷的現象,造成板彎。
4. V-Cut的深淺及連接條會影響拼板變形量
基本上V-Cut就是破壞板子結構的元凶,因為V-Cut就是在原來一大張的板材上切出V型溝槽來,所以V-Cut的地方就容易發生變形。(相關閱讀:電路板去板邊—V-Cut 分板機)
那要如何才可以防止板子過回焊爐發生板彎及板翹的情形呢?
1. 降低溫度對板子應力的影響
既然「溫度」是板子應力的主要來源,所以只要降低回焊爐的溫度或是調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生。不過可能會有其他副作用發生,比如說焊錫短路。
2. 採用高Tg的板材
Tg是玻璃轉移溫度,也就是材料由玻璃態轉變為蠕動橡膠態的溫度,Tg值越低的材料,表示其板子進入回焊爐後開始變軟的速度越快,而且變成柔軟橡膠態的時間也會變長,板子的變形量當然就會越嚴重。採用較高Tg的板材就可以增加其承受應力變形的能力,但是相對地材料的價錢也比較高。
3. 增加電路板的厚度
許多電子的產品為了達到更輕薄的目的,板子的厚度已經剩下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過回焊爐不變形,真的有點強人所難,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險。
4. 減少電路板的尺寸與減少拼板的數量
既然大部分的回焊爐都採用鏈條來帶動電路板前進,尺寸越大的電路板會因為其自身的重量,在回焊爐中凹陷變形,所以盡量把電路板的長邊當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,把拼板數量降低也是基於這個理由,也就是說過爐的時候,盡量用窄邊垂直過爐方向,可以達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,最後就只剩下使用過爐托盤 (reflow carrier/template) 來降低電路板變形的方法了,過爐托盤治具可以降低板彎板翹的原理是因為治具一般會選用鋁合金或合成石等具有耐高溫且不易變形特性的材質,所以電路板在經過回焊爐的高溫膨脹與之後的冷卻收縮時,托盤都可以起到降低電路板變形的功能,等到電路板的溫度低於Tg值開始恢復變硬後,還可以維持住原來的尺寸。
如果單層的托盤治具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。
相關閱讀:
合成石過爐托盤(Reflow carrier)
為什麼SMT需要回焊過爐托盤(reflow carrier)與全程載具(Full process carrier)?
6. 改用Router替代V-Cut的分板使用
既然V-Cut會破壞電路板間拼板的結構強度,那就盡量不要使用V-Cut的分板,或是降低V-Cut的深度。
參考文章:電路板去板邊—Router 切割機
延伸閱讀:
PCB板材的結構與功用介紹
BGA同時空焊及短路可能的原因
BGA枕頭效應(head-in-pillow)發生的可能原因
電子零件掉落或BGA錫裂一定是SMT製程問題迷思(8)?增加PCB的剛性(stiffness)來抵抗應力避免板彎的影響
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訪客留言內容(Comments)
// Begin Comments & Trackbacks ?>您好,
請問要怎樣判斷一塊板子他在reflow 中的 warpage 方向會是 convex 或者 concave 呢? 另外IC 在peak溫度時一定都是concave的嗎? 假設板子在第一面製程warpage 是 convex 那翻到第二面製程於reflow 過程中來說,PCB呈現的會是相反的concave 或者是 convex ? Thanks.
個人經驗而言在PCB流程中盡量使用對稱疊構的stack up設計和合理分配每一層的copper density,壓合中盡量full fill材料的特性如壓合溫度升溫速率,熱壓后合理延長冷壓工藝都會對板彎板翹有主要作用吧?
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看到這篇就心裡飆淚~~~在cost down的年代!!
往往在NPI階段很多DFM的提案就被打槍了,
然後就是SMT自行克服Orz