板彎板翹發生的原因與防止的方法

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均勻時,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Reflow製程中最大的應力來源就是「溫度」了,溫度不但會使電路板變軟,還會扭曲電路板,再加上「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,其中有些內容會有關係。

1. 電路板上的鋪銅面面積不均勻,會惡化板彎與板翹。

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。

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,而且層與層之間會有向鉚釘一樣的連接點(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,就會因為本身的種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是玻璃轉換溫度,也就是材料由玻璃態轉變成橡膠態的溫度,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。

參考文章:何謂玻璃轉移溫度(Tg, Glass Transition Temperature)

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,最後就是使用過爐托盤 (reflow carrier/template) 來降低電路板的變形量了,過爐托盤治具可以降低板彎板翹的原理是因為治具材質一般會選用鋁合金或合成石具有耐高溫的特性,所以電路板經過回焊爐的高溫熱脹與之後冷卻下來的冷縮,托盤都可以起到穩住電路板的功能,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

訪客留言內容(Comments)

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

ewew;
你的痛我了解,而且有時候我也會這樣逼SMT工程師。
我是那個開槍的人。

熊大,想請教下
關於利用過爐托盤治具來降低板彎,那此托盤在設計時,是否要考慮PCB的shrink? 還是完全copy PCB外型尺寸即可?

KT,一般來說都是靠PCB上的孔洞之類的來做固定的,也就是說托盤上會設計定位柱,因為托盤容易吸熱,所以會盡量偷掉一些肉,以降低重量及吸熱,比較薄的PCB可能還得做上蓋,上下夾住才能達到防止變形的最大效果,至於收縮率一般都不太會去考慮,因為光板邊及拼板的公差就超過縮收率了。
建議先找有經驗的托盤治具商來討論一下會比較有概念,也比較能得得應有的效果。

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.

Cool,
影響PCB變形的因素非常多,舉凡板材內纖維(Fiber)的方向、板材內銅箔的分佈位置、PCB的形狀與鑽孔的位置,導通孔(vias)的位置、PCB的厚度、過爐的方向、過爐的面向的先後次序、零件的重量與分佈、加熱的斜率、冷卻的速度…等都會影響,這個很難一以蓋之,如果有興趣,大概可以做出一篇非常不錯的論文。
至於IC的變形方向,其實也是百百種,幾乎也是各種方向都有,但大體上,相同製程與材質的IC或PCB,其變形的方向倒是還蠻一致,不是沒有見過,但絕大部分都呈現一致的變形方向。
如果你還想問更多,請找大學研究所去研究吧!這個詳細的我無能為力。

Reflow 板灣方向依據INTEL 實驗建議,可以同時在板上AND板下貼附STRAIN GAUGE,比對板上板下數值,可以判讀出板灣方向

Strain Gauge 確實是個不錯的工具,最近也在公司內強推,不過 Strain Gauge 應該不需要分貼在上、下板的位置,只要貼在一面就可以知道整體板子變形的方向了,另一個重點是 Strain Gauge 無法經過 Reflow 高溫爐。


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