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PCBA大講堂:如何避免PCB材料不良或SMT加工變形?

發(fā)布時間 :2018-05-29 15:01 閱讀 : 來源 :技術(shù)文章責(zé)任編輯 :深圳宏力捷PCBA加工部
PCBA大講堂:如何避免PCB材料不良或SMT加工變形?
PCB翹曲容易導(dǎo)致SMT元件上料位置偏移,影響終端制品品質(zhì)。
 
PCB板經(jīng)過生產(chǎn)線加工、上料后,通常容易出現(xiàn)PCB板翹曲變形問題,不但影響SMT上料元器件位置位置偏移,也可能影響終端產(chǎn)品品質(zhì)與耐用度,嚴(yán)重者可能導(dǎo)致元器件空焊。
 
大面積PCB若電子元器件數(shù)量多、重量較重,板材強(qiáng)度不夠時容易產(chǎn)生PCB中央部凹陷問題。
大面積PCB若電子元器件數(shù)量多、重量較重,板材強(qiáng)度不夠時容易產(chǎn)生PCB中央部凹陷問題。
 
PCB電路板可以說是電子設(shè)備的基礎(chǔ),若基礎(chǔ)不平整,關(guān)鍵元器件、半導(dǎo)體不夠貼合,加上自動化高速生產(chǎn),常常會導(dǎo)致元件空焊或是元件如同立碑般不良組裝狀態(tài),這種問題小則導(dǎo)致電子電路功能不穩(wěn)定、大則可能出現(xiàn)誤動作或是電路短路∕開路故障。
 
自動化生產(chǎn)PCB板材  平整度影響生產(chǎn)良率
尤其是大量生產(chǎn)的產(chǎn)線環(huán)境,新一代電子設(shè)備產(chǎn)線多半透過自動化SMT(surface-mount devices)上料、自動回焊元器件機(jī)制,從上錫∕上料等都是由自動化設(shè)備高速運行,已不是人工加工處理所能應(yīng)付,甚至在大量微縮產(chǎn)品機(jī)構(gòu)、體積,元器件的布局更緊湊,多半需要自動化生產(chǎn)設(shè)備才可能完成加工程序。
 
在自動化加工設(shè)備產(chǎn)制流程,基本上是以PCB為全平整狀態(tài)下進(jìn)行自動上料的位置定位標(biāo)定,為求生產(chǎn)速度,在往復(fù)上料、定位程序可能會因為產(chǎn)速需要加快或縮減,若PCB在生產(chǎn)過程或加工上料前出現(xiàn)板材翹曲或變形,大型IC半導(dǎo)體上料或是SMT元件焊接上料就可能出現(xiàn)前述問題,導(dǎo)致產(chǎn)品生產(chǎn)品質(zhì)與穩(wěn)定性降低,產(chǎn)線針對故障品、不良品的重加工反而讓成本暴增。
 
SMT加工上料過程,PCB板不平整問題不但會導(dǎo)致上料定位不夠精準(zhǔn),大型點功率元件可能無法準(zhǔn)確插裝或貼裝在PCB表面,較差狀況可能會因為錯誤插件把插裝機(jī)搞故障,自動化產(chǎn)線因為問題出現(xiàn)∕排除、導(dǎo)致產(chǎn)速下降。
 
至于插件歪斜的元器件也可能不影響插件或是焊接生產(chǎn),但歪斜的元件雖不影響功能卻可能讓后續(xù)機(jī)殼組裝產(chǎn)生無法安裝到機(jī)箱或組裝加工問題,事后人工再加工處理也會產(chǎn)生重工成本。尤其是SMT技術(shù)正朝高速化、智能化、高精密度方向升級,但PCB板容易翹曲卻往往成了阻礙生產(chǎn)速度再提升的瓶頸。
 
SMT自動化加工  上料精度為優(yōu)化重點
以SMT加工自動化機(jī)臺為例,元器件為利用吸嘴運用吸力吸住電子料件,PCB經(jīng)過上加熱焊膏快速將元器件上料貼合,達(dá)到完美上料∕焊接的狀態(tài),必須是元件吸附平穩(wěn)、焊膏加熱處理時機(jī)恰到好處,電子元件與PCB完整接合后吸住料件的吸嘴釋放真空吸力后釋放料件,完成精準(zhǔn)上料∕焊接元件目的。
 
而上料過程中可能在吸嘴真空吸引力控制不良,導(dǎo)致元件拋料問題造成元器件移位、或是貼片機(jī)的下壓力道過大導(dǎo)致料件焊接點的焊膏被擠出焊點狀態(tài),這些狀況尤其在PCB翹曲不平整時最容易被凸顯出來,不平整的PCB也成為自動上料機(jī)頻繁需要排除的問題點。
 
PCB不平整不僅會造成拋料或是料件擠壓問題,對腳位密集的半導(dǎo)體、整合晶片元器件也極容易因為左右上下移位(平移誤差)或是角度移位(旋轉(zhuǎn)誤差),導(dǎo)致上料位置偏移,偏移的結(jié)果可能導(dǎo)致半導(dǎo)體IC接腳虛焊甚至空焊問題發(fā)生。
 
PCB容許變形量越低越好
在IPC所列的標(biāo)準(zhǔn)有提到SMT貼片機(jī)所對應(yīng)的PCB最大容許變形量約在0.75%,若是不進(jìn)入自動化SMT處理、手工上料∕焊接的PCB最大容許變形量則為1.5%,但基本上這只是對PCB翹曲程度的低標(biāo)準(zhǔn)要求,若要滿足SMT貼片機(jī)的自動化加工精準(zhǔn)度與預(yù)度,對于PCB變形量控制標(biāo)準(zhǔn)必須比0.75%要求更高,可能必須要要求至少0.5%甚至是0.3%高標(biāo)準(zhǔn)要求。 
 
檢視PCB為何產(chǎn)生翹曲?其實PCB為銅箔、玻璃纖維、樹脂等復(fù)合材料使用化學(xué)膠料搭配物理壓合、貼合制成的復(fù)合板材,每種材料的彈性、膨脹系數(shù)、硬度、應(yīng)力表現(xiàn)都不同,受熱膨脹的狀況也會有差異,在PCB加工過程會經(jīng)過多段熱處理、機(jī)械切割、化學(xué)材料浸泡、物理壓合黏合等過程反覆處理,要制作具完全平面的PCB本來就是緣木求魚、難上加難,但至少可以控制在一定比例要求的平整度表現(xiàn)。
 
導(dǎo)致PCB翹曲成因復(fù)雜  必須從材料∕制程多方分析
雖然導(dǎo)致PCB翹曲變形的原因復(fù)雜,但至少可以從幾個可以著手的角度進(jìn)行處理。首先,須先針對PCB板為何變形進(jìn)行原因分析,知道產(chǎn)出問題關(guān)鍵才能找出對應(yīng)解法,降低PCB板變形問題可以自材料、復(fù)合板材結(jié)構(gòu)、蝕刻線路圖形分布、加工制程等面向進(jìn)行思考與研究。
 
而PCB翹曲的多數(shù)成因,會發(fā)生在PCB制程本身的問題,因為當(dāng)電路板上的覆銅面積有差異時,如電路板為了電磁問題改善或電氣特性優(yōu)化,會將地線線路刻意大面積處理,而數(shù)據(jù)線路則相對密集蝕刻,這會導(dǎo)致PCB本身的覆銅產(chǎn)生局部的面積差異,當(dāng)大面積覆銅銅箔無法均勻分布于同一張PCB時。
 
當(dāng)設(shè)備運行產(chǎn)生的熱,或加工機(jī)具、處理產(chǎn)生的熱,就會導(dǎo)致PCB出現(xiàn)熱漲冷縮物理現(xiàn)象,加上覆銅不均勻產(chǎn)生局部應(yīng)力差異,電路板翹曲自產(chǎn)生,若板子的熱漲冷縮導(dǎo)致的應(yīng)力差異達(dá)到材料極限值,就會造成PCB永久性的翹曲變形。
 
PCB覆銅厚度與線路布局  也會影響板材平整條件
另一個狀況也是PCB穿孔、連接點數(shù)量問題,以HDI高密度PCB來說連接點、穿孔數(shù)量與內(nèi)連線路繁復(fù),大量的連通孔、盲孔、埋孔也會在設(shè)置孔位的位置限制了PCB熱漲冷縮現(xiàn)象,間接導(dǎo)致PCB出現(xiàn)不平整、彎曲或翹曲現(xiàn)象。
 
在實務(wù)面會發(fā)現(xiàn),當(dāng)元器件數(shù)量、重量增加,也會因為材料重量壓覆導(dǎo)致PCB出現(xiàn)凹陷變形,這在大型的PCB如電腦主機(jī)板、服務(wù)器電路板等較容易出現(xiàn),尤其是產(chǎn)線使用鍊條將板材兩端導(dǎo)入回焊爐進(jìn)行上錫處理,板子若裝載零件過重就會導(dǎo)致板材中央部凹陷。
 
考量解決彎板、PCB板翹曲問題,必須從設(shè)計面、材料面、制程面多方思考可能成因,透過產(chǎn)線的制程、制品產(chǎn)出問題點進(jìn)行分析、推導(dǎo)可能成因,透過系統(tǒng)性的優(yōu)化程序逐步改善。例如,可以從板材的壓合材料、設(shè)計結(jié)構(gòu)、線路圖等對板材產(chǎn)生的變形進(jìn)行參照與分析。
 
對于PCB覆銅的處理必須考量覆銅厚度、銅箔的熱膨脹系數(shù)等。制程中可能大量採行SMT上料制作,PCB本身需要考量高耐熱材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計,尤其薄化的PCB更容易出現(xiàn)板材翹曲問題。PCB進(jìn)料儲放也是可能產(chǎn)生翹曲變形的重點,因為PCB本身板材即為復(fù)合材料,在潮濕環(huán)境可能因置放堆迭或是吸濕出現(xiàn)基板變形。
 
PCB板在上料、加工過程出現(xiàn)變形也是最常見的現(xiàn)象,加工變形會比料件本身變形分析更加困難,因為變因可能性相當(dāng)多,如機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力等都有可能發(fā)生,在PCB本身制造生產(chǎn)過程,如蝕刻、貼合、加工等就會遭遇機(jī)械應(yīng)力影響,產(chǎn)制完成之PCB成品如前述在搬運、堆置、儲放、甚至末端清洗與烘烤過程,也會出現(xiàn)可能的板材翹曲。
 
一般的覆銅板材,若為雙面、線路∕結(jié)構(gòu)對稱,可以在壓合過程中減低變形狀態(tài),但實際的生產(chǎn)狀況卻不是這么完美,首先線路要達(dá)到完全對稱就極為困難,覆銅厚度也會因為制程條件的變動出現(xiàn)差異,更遑論精密度更高、貼合線路更繁復(fù)的HDI多層板結(jié)構(gòu),材料設(shè)計在控制低板材翹曲方面更為困難。


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