PCB 生产过程中产生变形的原因及改善
(刘海龙)
(深南电路有限公司, 广东深圳518053)
摘要随着表面安装和芯片安装时代的到来, 下游客户对电路板平整度的要求必定越来越严格. 本文围绕印制电路板设备和制造的全流程, 重点研究了压合、阻焊、整平、出货前校平等制程对板件变形的影响。并根据试验结果和生产经验提出了一些有效的控制板件变形的方法。
1前言
在自动化表面贴装线上, 电路板若不平整, 会引起定位不准, 元器件无法插装或贴装到板子的孔和表面贴装焊盘上, 甚至会撞坏自动插装机。装上元器件的电路板焊接后发生弯曲, 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。目前的表面贴装技术正在朝着高精度、高速度、智能化方向发展, 这就对做为各种元器件家园的PCB 板提出了更高的平整度要求。
在IPC 标准中特别指出带有表面贴装器件的PCB 板允许的最大变形量为0.75%,没有表面贴装的PCB 板允许的最大变形量为1.5%。实际上, 为满足高精度和高速度贴装的需求, 部分电子装联厂家对变形量的要求更加严格, 如我公司有多个客户要求允许的最大变形量为0.5%,甚至有个别客户要求0.3%。
PCB 板由铜箔、树脂、玻璃布等材料组成, 各材料物理和化学性能均不相同, 压合在一起后必然会产生热应力残留, 导致变形。同时在PCB 的加工过程中, 会经过高温、机械切削、湿处理等各种流程, 也会对板件变形产生重要影响, 总之可以导致PCB 板变形的原因复杂多
样, 如何减少或消除由于材料特性不同或者加工引起的变形, 成为PCB 制造商面临的最复杂问题之一。
2变形产生原因分析
PCB 板的变形需要从材料、结构、图形分布、加工制程等几个方面进行研究，本文将对可能产生变形的各种原因和改善方法进行分析和阐述。
2．1压合材料、结构、图形对板件变形的响分析
PCB 板由芯板和半固化片以及外层铜箔压合而成，其中芯板与铜箔在压合时受热变形，变形量取决于两种材料的热膨胀系数（CTE ），铜箔的热膨胀系数（CTE ）为17X10-6左右，而普通FR-4基材在Tg 点下Z 向CTE 为（50~70）X10-6，TG 点以上为（250~350）X10-6，X 向CTE 由于玻璃布存在，一般与铜箔类似。其中做好内层图形的芯板的膨胀由于图形分布与芯板厚度或者材料特性不同而不同，当图形分布与芯板厚度或者材料特性不同而不同，当图形分布比较均匀，材料类型一致，不会产生变形。当PCB 板层压结构存在不对称或者图形分布不均匀时会导致不同芯板的CTE 差异较大，从而在压合过程中产生变形。其变形机理可通过以下原理解释。
假设有两种CTE 相差较大的芯板通过半固化片压合在一起，其中A 芯板CTE 为
1.5x10-5/℃，芯板长度均为1000mm 。在压合过程作为粘结片的半固化片，则经过软化、流动并填充图形、固化三个阶段将两张芯板粘合在一起。图1为普通FR-4树脂在不同升温速率下的动粘底曲线，一般情况下，材料从90℃左右开始流动，并在达到TG 点以上开始交联固化，在固化之前半固化片为自由状态，此时芯板和铜箔处在受热后自由膨胀状态, 其变形量可以通过各自的CTE 和温度变化值得到. 模拟压合条件, 温度从30℃升至180℃, 此时两种芯板变形量分别为△LA=(180℃~30℃)x1.5x10-5m/℃X1000mm=2.25mm,△
LB=(180℃~30℃)X2.5X10-5M/℃X1000mm=3.75mm.此时由于半固化尚在自由状态, 两种芯板一长一短, 互不干涉, 尚未发生变形. 见图2, 压合时会在高温下保持一段时间, 直到半固化完全固化, 此时树脂变成固化状态, 不能随意流动, 两种芯板结合在一起. 当温度下降时, 如无层间树脂束缚, 芯板会回复至初始长度, 并不会产生变形, 但实际上两张芯板在高温时已经被固化的树脂粘合, 在降温过程中不能随意收缩, 其中A 芯板应该收缩3.75mm, 实际上当收缩大于
2.25mm 时会受到A 芯板的阻碍, 为达成两芯板间的受力平衡,B 芯板不能收缩到3.75mm, 而A 芯板收缩会大于2.25mm, 从而使整板向B 芯板方向变曲, 如图2所示..
图1普通半固化片动粘度曲线
图2不同CTE 芯板压合过程中变形示意
根据上述分析可知,,PCB 板的层压结构、材料类型已经图形分布是否均匀，直接影响了不同芯板以及铜箔之间的CTE 差异，在压合过程中的涨缩差异会通过半固化片的固片过程而被保留并最终形成PCB 板的变形。
2．2PCB 板加工过程中引起的变形
PCB 板加工过程的变形原因非常复杂可分为热应力和机械应力两种应力导致。其中热应力主要产生于压合过程中，机械应力主要产生板件堆放、搬运、烘烤过程中。下面按流程顺序做简单讨论。
覆铜板来料：覆铜板均为双面板，结构对称，无图形，铜箔与玻璃布CTE 相差无几，所以在压合过程中几乎不会产生因CTE 不同引起的变形。但是，覆铜板鸭树压机尺寸大，热盘不同区域存在温差，会导致压合过程中不同区域树脂固化速度和程度有细微差异，同时不同升温速率下的动粘度也有较大差异，所以也会产生由于固化过程差异带来的局部应力。一般这种应力会在压合后维持平衡，但会在日后的加工逐渐释放产生变形。
压合：PCB 压合工序是产生热应力的主要流程，其中由于材料或结构不同产生的变形见上一节的分析。与覆铜板压合类似，也会产生固化过程差异带来的局部应力，PCB 板由于厚度更厚、图形分布多样、半固化片更多等原因，其热应力也会比覆铜板更多更难消除。而PCB 板中存在的应力，在后继钻孔、外形或者烧烤等流程中释放，导致板件产生变形。
阻焊、字符等烘烤流程：由于阻焊油墨固化时不能互相堆叠，所以PCB 板都会竖放在架子里烘板固化，阻焊温度150℃左右，刚好超过中低Tg 材料的Tg 点，Tg 点以上树脂为高弹态，板件容易在自重或者烘箱强风作用下变形。
热风焊料整平：普通板热风焊料整平时锡炉温度为225℃~265℃, 时间为3S-6S 。热风温度为280℃~300℃. 焊料整平时板从室温进锡炉，出炉后两分钟内又进行室温的后处理水洗。整个热风焊料整平过程为骤热骤冷过程。由于电路板材料不同，结构又不均匀，在冷热过程中必然会出现热应力，导致微观应变和整体变形翘区。
存放：PCB 板在半成品阶段的存放一般都坚插在架子中，架子松紧调整的不合适，或者存放过程中堆叠放板等都会使板件产生机械变形。尤其对于2.0mm 以下的薄板影响更为严重。
除以上因素以外，影响PCB 变形的因素还有很多，但一般的机械变形都可以在最终的出货前校平过程中得到有效改善，在此不描述。
3试验研究和改善对策
根据以上分析，我们从来料、工程设计、过程控制、出货校平几方面进行研究，并提出一系列改善方案。
3.1不同材料对板件变形的影响
根据我司出货前检验数据，将不同材料板件变形超标缺陷率进行统计，结果见表1。 从表中可以看到，低Tg 材料变形缺陷率要高于高Tg 材料，上表所列高Tg 材料均为填料形材料，CTE 均小于低Tg 材料，同时在压合以后的加工过程中，烘烤温度最高150℃，对低Tg 材料的影响肯定会大于中高Tg 材料。
3．2工程设计研究
工程设计应该尽量避免结构不对称、材料不对称、图形不对称的设计，以减少变形的产生，同时在研究过程还发现芯板直接压合结构比铜箔压合结构更容易变形，表2为两种结构板件的试验结果。
从表2可以看出两种结构变形不合格的缺陷率有明显区别，可以理解为芯板压合结构由三张芯板组成，不同芯板间的涨缩以及应力变化更复杂，更难以消除。
在工程设计，拼板边框形式对变形也有较大影响，一般PCB 工厂会存在连续大铜皮边框和非连续的铜点或铜块边框，我们对此也进行了试验研究，发现也有不同区别。表3为两种边框设计板件的对比试验结果。之所以两种边框形式变形表现不同，是因为连续形铜皮边框强度高，在压合及拼板加工过程中刚性比较大，使板件内残余应力不容易释放，集中在外形加工后释放，导致变形更严重。而非连续形铜点边框则在压合及后继加工过程中逐步释放应力，在外形后单板变形较小。
以上为工程设计小涉及到的一些可能的影响因素，如能在设计时灵活运用。可以减少因设计带来的变形影响。
3．3压合研究
压合对变形的影响至关重要，通过合理的参数设置、压机选择和叠板方式等可以有效减少应力的产生。针对一般的结构对称的板件，一般需要注意压合时对称叠板，并对称放置工具板、缓冲材料等辅助工具。同时选择冷热一体压机压合对减少热应力也有明显帮助，原因为冷热分体压机在高温下（GT 温度以上）将板件转到冷压机，材料在Tg 点以上失压并快速冷却会导致热应力迅速释放产生变形，而冷热一体压机可实现热压末段降温，避免板件在高温下失压。
同时，对于客户特殊的需要，不可避免的会存在一些材料或者结构不对称的板件，此时前文分析的由于CTE 不同带来的变形将会非常明显，针对这种问题我们可以尝试使用非对称的叠板方式来解决，其原理为利缓冲材料的非对称放置达到PCB 板双面升温速度不一样，从而影响不同CTE 芯柏树在升温和降温阶段的涨缩来解决变形量不一致的问题。表4是在我司某款结构不对称板件上的试验结果。
通过不对称叠法，以及压合后增加后固化流程，并在出货前进行校平操作，此板最终满足客户2.0mm 的要求。
3．4其他生产流程
PCB 生产流程中，除压合外还有阻焊、字符化以及热风整平几个高温处理流程，其中阻焊、字符后的烘板最高温度150℃在前文提到过此温度在普通Tg 材料Tg 点以上，此时材料为高弹态，容易在外力下变形，所以要避免烘板时叠板防止下层板被压弯，同时要烘板时保证板件方向与吹风方向平行。在热风整平加工时则要保证板件出锡炉平放冷却30s 以上，避免高温下过后处理的冷水洗导致骤冷变形。
除生产流程外，PCB 板件在各工位的存储也对变形有一定的影响，在一些厂家由于待产较多、场地狭小的原因，会将多架板堆放在一起存储，这也会导致板件受外力变形，由于PCB 板也有一定塑性，所以这些变形在后面的校平工序也不会得到100%的恢复。
3.5出货前校平
大多数PCB 厂家在出货前都会有校平流程，这是因为在加工过程中不可避免的会产生受热或机械力产生的板件变形，在出货前通过机械校平或热烘校平可以得到有效改善。受阻焊以及表面涂覆层的耐热性影响，一般烘板温度在140℃~150℃以下，刚好超过普通材料Tg 温度，这对普通板的校平有很大好处，而对于高Tg 材料的校平作用则没那么明显，所以在个别板翘严重的高Tg 板上可以适当提高烘板温度，但要主要油墨和涂覆层质量。同时烘板时压重、增加随炉冷却时间的做法也对变形有一定改善作用，表5为不同压重和炉冷时间对板件校平作用的试验结果，从其中可以看到增加压重和延长炉冷时间对变形的校平都有明显作用。
4结语
提升PCB 板件平整性是业界共同面临的重要课题，本文系统的从整个PCB 设计和加工流程对PCB 变形的产生原因和改善方法做了系统的阐述，并通过试验验证最终应用于生产过程中，经过我司长时间的生产应用证明切实有效。
参考文献
[1]丁德全，金属工艺学[M]。机械工业出版社，2004，2
作者简介
刘海龙，高级产品技术经理，从事PCB 制造行业技术研究工作。。
PCB 生产过程中产生变形的原因及改善
(刘海龙)
(深南电路有限公司, 广东深圳518053)
摘要随着表面安装和芯片安装时代的到来, 下游客户对电路板平整度的要求必定越来越严格. 本文围绕印制电路板设备和制造的全流程, 重点研究了压合、阻焊、整平、出货前校平等制程对板件变形的影响。并根据试验结果和生产经验提出了一些有效的控制板件变形的方法。
1前言
在自动化表面贴装线上, 电路板若不平整, 会引起定位不准, 元器件无法插装或贴装到板子的孔和表面贴装焊盘上, 甚至会撞坏自动插装机。装上元器件的电路板焊接后发生弯曲, 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。目前的表面贴装技术正在朝着高精度、高速度、智能化方向发展, 这就对做为各种元器件家园的PCB 板提出了更高的平整度要求。
在IPC 标准中特别指出带有表面贴装器件的PCB 板允许的最大变形量为0.75%,没有表面贴装的PCB 板允许的最大变形量为1.5%。实际上, 为满足高精度和高速度贴装的需求, 部分电子装联厂家对变形量的要求更加严格, 如我公司有多个客户要求允许的最大变形量为0.5%,甚至有个别客户要求0.3%。
PCB 板由铜箔、树脂、玻璃布等材料组成, 各材料物理和化学性能均不相同, 压合在一起后必然会产生热应力残留, 导致变形。同时在PCB 的加工过程中, 会经过高温、机械切削、湿处理等各种流程, 也会对板件变形产生重要影响, 总之可以导致PCB 板变形的原因复杂多
样, 如何减少或消除由于材料特性不同或者加工引起的变形, 成为PCB 制造商面临的最复杂问题之一。
2变形产生原因分析
PCB 板的变形需要从材料、结构、图形分布、加工制程等几个方面进行研究，本文将对可能产生变形的各种原因和改善方法进行分析和阐述。
2．1压合材料、结构、图形对板件变形的响分析
PCB 板由芯板和半固化片以及外层铜箔压合而成，其中芯板与铜箔在压合时受热变形，变形量取决于两种材料的热膨胀系数（CTE ），铜箔的热膨胀系数（CTE ）为17X10-6左右，而普通FR-4基材在Tg 点下Z 向CTE 为（50~70）X10-6，TG 点以上为（250~350）X10-6，X 向CTE 由于玻璃布存在，一般与铜箔类似。其中做好内层图形的芯板的膨胀由于图形分布与芯板厚度或者材料特性不同而不同，当图形分布与芯板厚度或者材料特性不同而不同，当图形分布比较均匀，材料类型一致，不会产生变形。当PCB 板层压结构存在不对称或者图形分布不均匀时会导致不同芯板的CTE 差异较大，从而在压合过程中产生变形。其变形机理可通过以下原理解释。
假设有两种CTE 相差较大的芯板通过半固化片压合在一起，其中A 芯板CTE 为
1.5x10-5/℃，芯板长度均为1000mm 。在压合过程作为粘结片的半固化片，则经过软化、流动并填充图形、固化三个阶段将两张芯板粘合在一起。图1为普通FR-4树脂在不同升温速率下的动粘底曲线，一般情况下，材料从90℃左右开始流动，并在达到TG 点以上开始交联固化，在固化之前半固化片为自由状态，此时芯板和铜箔处在受热后自由膨胀状态, 其变形量可以通过各自的CTE 和温度变化值得到. 模拟压合条件, 温度从30℃升至180℃, 此时两种芯板变形量分别为△LA=(180℃~30℃)x1.5x10-5m/℃X1000mm=2.25mm,△
LB=(180℃~30℃)X2.5X10-5M/℃X1000mm=3.75mm.此时由于半固化尚在自由状态, 两种芯板一长一短, 互不干涉, 尚未发生变形. 见图2, 压合时会在高温下保持一段时间, 直到半固化完全固化, 此时树脂变成固化状态, 不能随意流动, 两种芯板结合在一起. 当温度下降时, 如无层间树脂束缚, 芯板会回复至初始长度, 并不会产生变形, 但实际上两张芯板在高温时已经被固化的树脂粘合, 在降温过程中不能随意收缩, 其中A 芯板应该收缩3.75mm, 实际上当收缩大于
2.25mm 时会受到A 芯板的阻碍, 为达成两芯板间的受力平衡,B 芯板不能收缩到3.75mm, 而A 芯板收缩会大于2.25mm, 从而使整板向B 芯板方向变曲, 如图2所示..
图1普通半固化片动粘度曲线
图2不同CTE 芯板压合过程中变形示意
根据上述分析可知,,PCB 板的层压结构、材料类型已经图形分布是否均匀，直接影响了不同芯板以及铜箔之间的CTE 差异，在压合过程中的涨缩差异会通过半固化片的固片过程而被保留并最终形成PCB 板的变形。
2．2PCB 板加工过程中引起的变形
PCB 板加工过程的变形原因非常复杂可分为热应力和机械应力两种应力导致。其中热应力主要产生于压合过程中，机械应力主要产生板件堆放、搬运、烘烤过程中。下面按流程顺序做简单讨论。
覆铜板来料：覆铜板均为双面板，结构对称，无图形，铜箔与玻璃布CTE 相差无几，所以在压合过程中几乎不会产生因CTE 不同引起的变形。但是，覆铜板鸭树压机尺寸大，热盘不同区域存在温差，会导致压合过程中不同区域树脂固化速度和程度有细微差异，同时不同升温速率下的动粘度也有较大差异，所以也会产生由于固化过程差异带来的局部应力。一般这种应力会在压合后维持平衡，但会在日后的加工逐渐释放产生变形。
压合：PCB 压合工序是产生热应力的主要流程，其中由于材料或结构不同产生的变形见上一节的分析。与覆铜板压合类似，也会产生固化过程差异带来的局部应力，PCB 板由于厚度更厚、图形分布多样、半固化片更多等原因，其热应力也会比覆铜板更多更难消除。而PCB 板中存在的应力，在后继钻孔、外形或者烧烤等流程中释放，导致板件产生变形。
阻焊、字符等烘烤流程：由于阻焊油墨固化时不能互相堆叠，所以PCB 板都会竖放在架子里烘板固化，阻焊温度150℃左右，刚好超过中低Tg 材料的Tg 点，Tg 点以上树脂为高弹态，板件容易在自重或者烘箱强风作用下变形。
热风焊料整平：普通板热风焊料整平时锡炉温度为225℃~265℃, 时间为3S-6S 。热风温度为280℃~300℃. 焊料整平时板从室温进锡炉，出炉后两分钟内又进行室温的后处理水洗。整个热风焊料整平过程为骤热骤冷过程。由于电路板材料不同，结构又不均匀，在冷热过程中必然会出现热应力，导致微观应变和整体变形翘区。
存放：PCB 板在半成品阶段的存放一般都坚插在架子中，架子松紧调整的不合适，或者存放过程中堆叠放板等都会使板件产生机械变形。尤其对于2.0mm 以下的薄板影响更为严重。
除以上因素以外，影响PCB 变形的因素还有很多，但一般的机械变形都可以在最终的出货前校平过程中得到有效改善，在此不描述。
3试验研究和改善对策
根据以上分析，我们从来料、工程设计、过程控制、出货校平几方面进行研究，并提出一系列改善方案。
3.1不同材料对板件变形的影响
根据我司出货前检验数据，将不同材料板件变形超标缺陷率进行统计，结果见表1。 从表中可以看到，低Tg 材料变形缺陷率要高于高Tg 材料，上表所列高Tg 材料均为填料形材料，CTE 均小于低Tg 材料，同时在压合以后的加工过程中，烘烤温度最高150℃，对低Tg 材料的影响肯定会大于中高Tg 材料。
3．2工程设计研究
工程设计应该尽量避免结构不对称、材料不对称、图形不对称的设计，以减少变形的产生，同时在研究过程还发现芯板直接压合结构比铜箔压合结构更容易变形，表2为两种结构板件的试验结果。
从表2可以看出两种结构变形不合格的缺陷率有明显区别，可以理解为芯板压合结构由三张芯板组成，不同芯板间的涨缩以及应力变化更复杂，更难以消除。
在工程设计，拼板边框形式对变形也有较大影响，一般PCB 工厂会存在连续大铜皮边框和非连续的铜点或铜块边框，我们对此也进行了试验研究，发现也有不同区别。表3为两种边框设计板件的对比试验结果。之所以两种边框形式变形表现不同，是因为连续形铜皮边框强度高，在压合及拼板加工过程中刚性比较大，使板件内残余应力不容易释放，集中在外形加工后释放，导致变形更严重。而非连续形铜点边框则在压合及后继加工过程中逐步释放应力，在外形后单板变形较小。
以上为工程设计小涉及到的一些可能的影响因素，如能在设计时灵活运用。可以减少因设计带来的变形影响。
3．3压合研究
压合对变形的影响至关重要，通过合理的参数设置、压机选择和叠板方式等可以有效减少应力的产生。针对一般的结构对称的板件，一般需要注意压合时对称叠板，并对称放置工具板、缓冲材料等辅助工具。同时选择冷热一体压机压合对减少热应力也有明显帮助，原因为冷热分体压机在高温下（GT 温度以上）将板件转到冷压机，材料在Tg 点以上失压并快速冷却会导致热应力迅速释放产生变形，而冷热一体压机可实现热压末段降温，避免板件在高温下失压。
同时，对于客户特殊的需要，不可避免的会存在一些材料或者结构不对称的板件，此时前文分析的由于CTE 不同带来的变形将会非常明显，针对这种问题我们可以尝试使用非对称的叠板方式来解决，其原理为利缓冲材料的非对称放置达到PCB 板双面升温速度不一样，从而影响不同CTE 芯柏树在升温和降温阶段的涨缩来解决变形量不一致的问题。表4是在我司某款结构不对称板件上的试验结果。
通过不对称叠法，以及压合后增加后固化流程，并在出货前进行校平操作，此板最终满足客户2.0mm 的要求。
3．4其他生产流程
PCB 生产流程中，除压合外还有阻焊、字符化以及热风整平几个高温处理流程，其中阻焊、字符后的烘板最高温度150℃在前文提到过此温度在普通Tg 材料Tg 点以上，此时材料为高弹态，容易在外力下变形，所以要避免烘板时叠板防止下层板被压弯，同时要烘板时保证板件方向与吹风方向平行。在热风整平加工时则要保证板件出锡炉平放冷却30s 以上，避免高温下过后处理的冷水洗导致骤冷变形。
除生产流程外，PCB 板件在各工位的存储也对变形有一定的影响，在一些厂家由于待产较多、场地狭小的原因，会将多架板堆放在一起存储，这也会导致板件受外力变形，由于PCB 板也有一定塑性，所以这些变形在后面的校平工序也不会得到100%的恢复。
3.5出货前校平
大多数PCB 厂家在出货前都会有校平流程，这是因为在加工过程中不可避免的会产生受热或机械力产生的板件变形，在出货前通过机械校平或热烘校平可以得到有效改善。受阻焊以及表面涂覆层的耐热性影响，一般烘板温度在140℃~150℃以下，刚好超过普通材料Tg 温度，这对普通板的校平有很大好处，而对于高Tg 材料的校平作用则没那么明显，所以在个别板翘严重的高Tg 板上可以适当提高烘板温度，但要主要油墨和涂覆层质量。同时烘板时压重、增加随炉冷却时间的做法也对变形有一定改善作用，表5为不同压重和炉冷时间对板件校平作用的试验结果，从其中可以看到增加压重和延长炉冷时间对变形的校平都有明显作用。
4结语
提升PCB 板件平整性是业界共同面临的重要课题，本文系统的从整个PCB 设计和加工流程对PCB 变形的产生原因和改善方法做了系统的阐述，并通过试验验证最终应用于生产过程中，经过我司长时间的生产应用证明切实有效。
参考文献
[1]丁德全，金属工艺学[M]。机械工业出版社，2004，2
作者简介
刘海龙，高级产品技术经理，从事PCB 制造行业技术研究工作。。