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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(shí)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(dòng)化高速生產(chǎn)，常常會(huì)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(dòng)作或是電路短路∕開路故障。

 

自動(dòng)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(dòng)化SMT(surface-mount devices)上料、自動(dòng)回焊元器件機(jī)制，從上錫∕上料等都是由自動(dòng)化設(shè)備高速運(yùn)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(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備才可能完成加工程序。

 

在自動(dòng)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(dòng)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(huì)因?yàn)楫a(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(duì)故障品、不良品的重加工反而讓成本暴增。

 

在SMT加工上料過程，PCB板不平整問題不但會(huì)導(dǎo)致上料定位不夠精準(zhǔn)，大型點(diǎn)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(huì)因?yàn)殄e(cuò)誤插件把插裝機(jī)搞故障，自動(dòng)化產(chǎn)線因?yàn)閱栴}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(huì)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(jí)，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(dòng)化加工  上料精度為優(yōu)化重點(diǎn)

以SMT加工自動(dòng)化機(jī)臺(tái)為例，元器件為利用吸嘴運(yùn)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(shí)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(diǎn)的焊膏被擠出焊點(diǎn)狀態(tài)，這些狀況尤其在PCB翹曲不平整時(shí)最容易被凸顯出來，不平整的PCB也成為自動(dòng)上料機(jī)頻繁需要排除的問題點(diǎn)。

 

PCB不平整不僅會(huì)造成拋料或是料件擠壓?jiǎn)栴}，對(duì)腳位密集的半導(dǎo)體、整合晶片元器件也極容易因?yàn)樽笥疑舷乱莆?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(duì)應(yīng)的PCB最大容許變形量約在0.75%，若是不進(jìn)入自動(dòng)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(duì)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(dòng)化加工精準(zhǔn)度與預(yù)度，對(duì)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(shí)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(huì)有差異，在PCB加工過程會(huì)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(gè)可以著手的角度進(jìn)行處理。首先，須先針對(duì)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(duì)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(huì)發(fā)生在PCB制程本身的問題，因?yàn)楫?dāng)電路板上的覆銅面積有差異時(shí)，如電路板為了電磁問題改善或電氣特性優(yōu)化，會(huì)將地線線路刻意大面積處理，而數(shù)據(jù)線路則相對(duì)密集蝕刻，這會(huì)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(shí)。

 

當(dāng)設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的熱，或加工機(jī)具、處理產(chǎn)生的熱，就會(huì)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(huì)造成PCB永久性的翹曲變形。

 

PCB覆銅厚度與線路布局  也會(huì)影響板材平整條件

另一個(gè)狀況也是PCB穿孔、連接點(diǎn)數(shù)量問題，以HDI高密度PCB來說連接點(diǎn)、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(huì)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(shí)務(wù)面會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)元器件數(shù)量、重量增加，也會(huì)因?yàn)椴牧现亓繅焊矊?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(huì)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(jì)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(diǎn)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(jì)結(jié)構(gòu)、線路圖等對(duì)板材產(chǎn)生的變形進(jìn)行參照與分析。

 

對(duì)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(jì)，尤其薄化的PCB更容易出現(xiàn)板材翹曲問題。PCB進(jìn)料儲(chǔ)放也是可能產(chǎn)生翹曲變形的重點(diǎn)，因?yàn)镻CB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(huì)比料件本身變形分析更加困難，因?yàn)樽円蚩赡苄韵喈?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(huì)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(yùn)、堆置、儲(chǔ)放、甚至末端清洗與烘烤過程，也會(huì)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(duì)稱，可以在壓合過程中減低變形狀態(tài)，但實(shí)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(duì)稱就極為困難，覆銅厚度也會(huì)因?yàn)橹瞥虠l件的變動(dòng)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(jì)在控制低板材翹曲方面更為困難。