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避免PCB材料不良或加工变形 改善质量与良率

  • 魏淑芳
PCB翘曲容易导致SMT元件上料位置偏移,影响终端制品质量。Andonstar

DIGITIMES企划

PCB板经过生产线加工、上料后,通常容易出现PCB板翘曲变形问题,不但影响SMT上料元器件位置位置偏移,也可能影响终端产品质量与耐用度,严重者可能导致元器件空焊。

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大面积PCB若电子元器件数量多、重量较重,板材强度不够时容易产生PCB中央部凹陷问题。(Ourpcbte)

PCB电路板可以说是电子设备的基础,若基础不平整,关键元器件、半导体不够贴合,加上自动化高速生产,常常会导致元件空焊或是元件如同立碑般不良组装状态,这种问题小则导致电子电路功能不稳定、大则可能出现误动作或是电路短路∕开路故障。

自动化生产PCB板材  平整度影响生产良率

尤其是大量生产的产线环境,新一代电子设备产线多半透过自动化SMT(surface-mount devices)上料、自动回焊元器件机制,从上锡∕上料等都是由自动化设备高速运行,已不是人工加工处理所能应付,甚至在大量微缩产品机构、体积,元器件的布局更紧凑,多半需要自动化生产设备才可能完成加工程序。

在自动化加工设备产制流程,基本上是以PCB为全平整状态下进行自动上料的位置定位标定,为求生产速度,在往复上料、定位程序可能会因为产速需要加快或缩减,若PCB在生产过程或加工上料前出现板材翘曲或变形,大型IC半导体上料或是SMT元件焊接上料就可能出现前述问题,导致产品生产质量与稳定性降低,产线针对故障品、不良品的重加工反而让成本暴增。

在SMT加工上料过程,PCB板不平整问题不但会导致上料定位不够精准,大型点功率元件可能无法准确插装或贴装在PCB表面,较差状况可能会因为错误插件把插装机搞故障,自动化产线因为问题出现∕排除、导致产速下降。

至于插件歪斜的元器件也可能不影响插件或是焊接生产,但歪斜的元件虽不影响功能却可能让后续机箱组装产生无法安装到机箱或组装加工问题,事后人工再加工处理也会产生重工成本。尤其是SMT技术正朝高速化、智能化、高精密度方向升级,但PCB板容易翘曲却往往成了阻碍生产速度再提升的瓶颈。

SMT自动化加工  上料精度为优化重点

以SMT加工自动化机台为例,元器件为利用吸嘴运用吸力吸住电子料件,PCB经过上加热焊膏快速将元器件上料贴合,达到完美上料∕焊接的状态,必须是元件吸附平稳、焊膏加热处理时机恰到好处,电子元件与PCB完整接合后吸住料件的吸嘴释放真空吸力后释放料件,完成精准上料∕焊接元件目的。

而上料过程中可能在吸嘴真空吸引力控制不良,导致元件抛料问题造成元器件移位、或是贴片机的下压力道过大导致料件焊接点的焊膏被挤出焊点状态,这些状况尤其在PCB翘曲不平整时最容易被凸显出来,不平整的PCB也成为自动上料机频繁需要排除的问题点。

PCB不平整不仅会造成抛料或是料件挤压问题,对脚位密集的半导体、集成芯片元器件也极容易因为左右上下移位(平移误差)或是角度移位(旋转误差),导致上料位置偏移,偏移的结果可能导致半导体IC接脚虚焊甚至空焊问题发生。

PCB容许变形量越低越好

在IPC所列的标准有提到SMT贴片机所对应的PCB最大容许变形量约在0.75%,若是不进入自动化SMT处理、手工上料∕焊接的PCB最大容许变形量则为1.5%,但基本上这只是对PCB翘曲程度的低标准要求,若要满足SMT贴片机的自动化加工精准度与预度,对于PCB变形量控制标准必须比0.75%要求更高,可能必须要要求至少0.5%甚至是0.3%高标准要求。

 

检视PCB为何产生翘曲?其实PCB为铜箔、玻璃纤维、树脂等复合材料使用化学胶料搭配物理压合、贴合制成的复合板材,每种材料的弹性、膨胀系数、硬度、应力表现都不同,受热膨胀的状况也会有差异,在PCB加工过程会经过多段热处理、机械切割、化学材料浸泡、物理压合黏合等过程反复处理,要制作具完全平面的PCB本来就是缘木求鱼、难上加难,但至少可以控制在一定比例要求的平整度表现。

导致PCB翘曲成因复杂  必须从材料∕制程多方分析

虽然导致PCB翘曲变形的原因复杂,但至少可以从几个可以着手的角度进行处理。首先,须先针对PCB板为何变形进行原因分析,知道产出问题关键才能找出对应解法,降低PCB板变形问题可以自材料、复合板材结构、蚀刻线路图形分布、加工制程等面向进行思考与研究。

而PCB翘曲的多数成因,会发生在PCB制程本身的问题,因为当电路板上的覆铜面积有差异时,如电路板为了电磁问题改善或电气特性优化,会将地线线路刻意大面积处理,而数据线路则相对密集蚀刻,这会导致PCB本身的覆铜产生局部的面积差异,当大面积覆铜铜箔无法均匀分布于同一张PCB时。

当设备运行产生的热,或加工机具、处理产生的热,就会导致PCB出现热涨冷缩物理现象,加上覆铜不均匀产生局部应力差异,电路板翘曲自产生,若板子的热涨冷缩导致的应力差异达到材料极限值,就会造成PCB永久性的翘曲变形。

PCB覆铜厚度与线路布局  也会影响板材平整条件

另一个状况也是PCB穿孔、连接点数量问题,以HDI高密度PCB来说连接点、穿孔数量与内联机路繁复,大量的连通孔、盲孔、埋孔也会在设置孔位的位置限制了PCB热涨冷缩现象,间接导致PCB出现不平整、弯曲或翘曲现象。

在实务面会发现,当元器件数量、重量增加,也会因为材料重量压覆导致PCB出现凹陷变形,这在大型的PCB如计算机主板、服务器电路板等较容易出现,尤其是产线使用链条将板材两端导入回焊炉进行上锡处理,板子若装载零件过重就会导致板材中央部凹陷。

考量解决弯板、PCB板翘曲问题,必须从设计面、材料面、制程面多方思考可能成因,透过产线的制程、制品产出问题点进行分析、推导可能成因,透过系统性的优化程序逐步改善。例如,可以从板材的压合材料、设计结构、线路图等对板材产生的变形进行参照与分析。

对于PCB覆铜的处理必须考量覆铜厚度、铜箔的热膨胀系数等。制程中可能大量采行SMT上料制作,PCB本身需要考量高耐热材料与结构设计,尤其薄化的PCB更容易出现板材翘曲问题。PCB进料储放也是可能产生翘曲变形的重点,因为PCB本身板材即为复合材料,在潮湿环境可能因置放堆叠或是吸湿出现基板变形。

PCB板在上料、加工过程出现变形也是最常见的现象,加工变形会比料件本身变形分析更加困难,因为变因可能性相当多,如机械应力、热应力等都有可能发生,在PCB本身制造生产过程,如蚀刻、贴合、加工等就会遭遇机械应力影响,产制完成之PCB成品如前述在搬运、堆置、储放、甚至末端清洗与烘烤过程,也会出现可能的板材翘曲。

一般的覆铜板材,若为双面、线路∕结构对称,可以在压合过程中减低变形状态,但实际的生产状况却不是这么完美,首先线路要达到完全对称就极为困难,覆铜厚度也会因为制程条件的变动出现差异,更遑论精密度更高、贴合线路更繁复的HDI多层板结构,材料设计在控制低板材翘曲方面更为困难。

 

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