非機理性板翹影響因素分析與改善

劉 攀 張來平（廣州興森快捷電路科技有限公司，廣東 廣州 510663）（深圳市興森快捷電路科技股份有限公司，廣東 深圳 518028）

非機理性板翹影響因素分析與改善

Paper Code: S-116

劉 攀 張來平
（廣州興森快捷電路科技有限公司，廣東 廣州 510663）
（深圳市興森快捷電路科技股份有限公司，廣東 深圳 518028）

PCB板件翹曲問題是業(yè)內(nèi)的關(guān)鍵疑難問題之一，板件翹曲嚴重會影響到焊接過程中元器件的焊接，易造成重大品質(zhì)隱患。IPC標準明確指出板翹的接受標準≤0.75%，甚至更高要求≤0.5%，這給PCB生產(chǎn)廠家?guī)砗芏嗬_。板翹從原理上可分為機理性和非機理性翹曲，機理性翹曲主要涉及疊層結(jié)構(gòu)、圖形分布等設(shè)計原因的影響，其難以得到有效的改善，而非機理性翹曲主要受制作過程的影響。本文主要從我司實際案例出發(fā)，分析板件非機理性翹曲在制程中的主要影響因素，并提出針對性的改善措施，供業(yè)內(nèi)技術(shù)人員參考。

翹曲；非機理性；影響因素

1 背景

PCB板件翹曲問題是業(yè)內(nèi)的關(guān)鍵疑難問題之一，板件翹曲嚴重會影響到焊接過程中元器件的焊接，易造成重大品質(zhì)隱患。板翹從原理上可分為機理性和非機理性翹曲，機理性翹曲主要涉及疊成結(jié)構(gòu)、圖形分布等設(shè)計原因的影響，其難以得到有效的改善，而非機理性翹曲主要受制作過程的影響。

IPC等標準明確指出板翹的接受標準≤0.75%，甚至更高要求≤0.5%，這給PCB生產(chǎn)廠家?guī)砗芏嗬_。我司一分廠一直出現(xiàn)大量板件翹曲，嚴重影響產(chǎn)品一次合格率，部分成品板因翹曲缺陷報廢補投導致交貨拖期，并且翹曲不良板返工后流入到客戶端的PCB產(chǎn)品，更是遭到客戶頻頻抱怨甚至投訴。而且還有客戶投訴PCB板出廠無翹曲，存放1～2個月后，出現(xiàn)板翹缺陷。該廠翹曲難題亟待解決。本文就主要從我司這一實際案例出發(fā)，分析板件翹曲在制程中的主要影響因素，并提出針對性的改善措施。

2 缺陷分析與改善

2.1 翹曲缺陷模式分析

圖1 翹曲超標板原因分析

FQC共檢出70個型號翹曲超標，統(tǒng)計分析翹曲超標原因如圖1（a）所示。從圖中可以看到8款板屬于有翹曲機理，如單面板、混壓板、鋁基板、3+1不對稱結(jié)構(gòu)等，占比11%；其余89%為非機理翹曲，其中還包括20款雙面板，占32.3%，非翹曲機理翹曲板的翹曲度主要集中在0.8～1.2%之間，如圖1（b）所示。雙面板沒有層壓，而且部分板外層圖形分布均勻，依然出現(xiàn)翹曲超標現(xiàn)象。由以上分析可知，當前該分廠板件出現(xiàn)翹曲的主要是工序生產(chǎn)管控出現(xiàn)異常導致，改善板件翹曲缺陷應(yīng)主要從生產(chǎn)管控方面著手解決。

2.2 翹曲產(chǎn)生原因分析及改善

通過對當前該分廠板件翹曲缺陷模式分析以及在線板跟進情況，初步分析造成當前該分廠板件翹曲的主要影響因素如下魚骨圖2所示。

圖2 翹曲缺陷分析魚骨圖

2.2.1 工程文件設(shè)計

（1）大無銅區(qū)測試條不對稱。部分特殊PCB產(chǎn)品板邊有很多測試條，很多≥5 cm2coupon附連扳內(nèi)層部分層均為無銅區(qū)，而且CAM制作文件時，對coupon放置隨意。因coupon無銅區(qū)漲縮和CTE都不同于其他位置，而且放置不對稱，導致板邊易出現(xiàn)翹曲。針對這一現(xiàn)象，主要對內(nèi)層可以鋪銅的部分大無銅區(qū)coupon做內(nèi)層鋪銅處理，并將大無銅區(qū)coupon對稱放置拼板板邊中間。

（2）板邊未鋪滿阻流點。該分廠板樣板多，絕大部分樣板拼板利用率不高，板邊寬度通常約有2 inch，為節(jié)約電鍍成本，往往板邊都只鋪3或4排阻流點，阻流點以外都是大無銅區(qū)，部分板邊無銅區(qū)寬度高達3 inch。外層蝕刻后，板邊都是基材區(qū)，基材區(qū)與其他區(qū)域漲縮和CTE不相同，同樣出現(xiàn)翹曲高風險，而且后續(xù)熱加工工序影響尤為嚴重，如阻焊烤板、熱風整平等工序。因此降低板翹風險，需板邊加滿阻流點。

（3）拼板尺寸過大。統(tǒng)計該分廠3種主要拼板尺寸類型406 mm×457 mm、406 mm×433 mm、457 mm×610 mm訂單比例以及翹曲超標訂單占缺陷比例對比，看出拼板尺寸越大，出現(xiàn)翹曲超標比例越大。這與實際理論分析是相符的，部分大尺寸板因剛性不足等原因在實際生產(chǎn)管控中大大增加翹曲超標風險，因此對翹曲嚴格的板（如翹曲度≤0.5%）等要減小拼板尺寸，拼板尺寸≤533 mm，并且長邊-短邊≤152.4 mm。

2.2.2 層壓工序

（1）壓合程序。有研究表明冷壓降溫速率越小，越有利于翹曲控制。減小冷壓降溫速率還可以延長應(yīng)力松弛時間，使層間應(yīng)力得到更充分地釋放，因此降溫速率一般控制在1.5 ℃/min左右。理論分析卸板溫度越低越有利于控制翹曲，調(diào)研行業(yè)內(nèi)卸板溫度一般控制在75 ℃左右。因此，降低卸板溫度和降溫速率是層壓工序改善板翹的措施之一，但是考慮到壓機產(chǎn)能問題，建議只針對翹曲要求嚴格（≤0.5%）卸板溫度降至大約70 ℃ ～ 75 ℃。

（2）混壓。該分廠樣板較多，尺寸類型也比較多，出于壓機產(chǎn)能和利用率考慮，工序?qū)τ诔叽缦嗖畈淮螅ㄒ话汩L或短邊相差不大50.8 mm）的不同型號板在同一底盤混壓?；靿褐谐叽缏源蟮陌鍟霈F(xiàn)局部失壓，失壓部分應(yīng)力不同于其他位置，也會出現(xiàn)翹曲風險。故對翹曲要求嚴格的板，如翹曲度≤0.5%，尺寸不相同的板不能在同一個底盤中壓合生產(chǎn)。

2.2.3 電鍍工序

（1）飛巴夾點和掛板方式的影響。飛巴夾點不在同一直線上，電鍍生產(chǎn)上板時板件就已經(jīng)發(fā)生形變，另外當前電鍍工序員工上板時板與板會重疊0.5 cm ～ 1 cm，板件也出現(xiàn)不同程度形變。這種由于設(shè)備問題和員工操作不當造成的大尺寸、小板厚容易出現(xiàn)扭曲變形，電鍍銅結(jié)晶還會將扭曲鎖住，外層蝕刻后，部分應(yīng)力隨著表銅蝕刻被釋放，部分應(yīng)力殘留下來，就造成板件翹曲缺陷，這是影響翹曲的主要因素之一。因此，必須要將飛巴夾點校正調(diào)整到同一條直線上，而且改變之前錯誤的上板方式，不能重疊上板。

（2）導槽浮架的影響。電鍍導槽浮架是用來在電鍍過程消除或減小邊緣效應(yīng)，起到提高電鍍均勻性作用，但實際生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)板先接觸導槽浮架，然后導槽浮架依靠生產(chǎn)板的支撐力沉入電鍍缸。這一過程中，由于長期使用的導槽浮架卡槽會有不同程度磨損，會出現(xiàn)生產(chǎn)板卡在磨損卡槽位置，導致生產(chǎn)板件出現(xiàn)形變，另外板件在電鍍生產(chǎn)受導槽浮架擠壓，也會出現(xiàn)形變。

如圖3設(shè)計試驗驗證電鍍導槽浮架對生產(chǎn)板翹曲形變的影響。同一飛巴上掛滿8P雙面板（板厚1.4 mm），飛巴兩端各掛2塊457 mm×610 mm板，中間掛4塊457 mm×584 mm板，電鍍銅厚約30μm。生產(chǎn)過程中只有457 mm×610 mm板受導槽浮架擠壓。電鍍完成后將測試板平均銑成12Uint（每Uint約152 mm×152 mm），測量每Uint翹曲度來表征測試結(jié)果如下表。

從測試結(jié)果來看，457 mm×610 mm大尺寸板出現(xiàn)不同程度翹曲，嚴重的板翹曲高達0.79%，而457 mm× 584 mm板基本未出現(xiàn)翹曲。這說明電鍍導槽浮架對板擠壓會使板發(fā)生形變，試驗數(shù)據(jù)足以驗證導槽浮架對板件翹曲的影響。為避免電鍍過程導槽浮架對板擠壓，可以采用比生產(chǎn)尺寸長約1 cm ～ 2 cm的硬質(zhì)夾邊條，如圖3，以支撐底部導槽浮架，減少電鍍過程形變產(chǎn)生的翹曲。

編號 尺寸大小（mm）板厚 每Unit翹曲度(小板152mm×152mm) 1 2 457×584 85%左右無翹曲,其余翹曲度＜0.2%,共12Uint 3 4 1.5mm 5 0.79% 0.23% / / / 6 0.33% 0.37% 0.23% 0.23% 0.47% 7 0.23% 0.23% 0.37% 0.37% 0.37% 457×610 共12U,其余均＜0.2% 8 0.35% 0.35% 0.30% 0.33% 0.35%

圖3 電鍍硬質(zhì)夾邊條，單位：mm

2.2.4 阻焊工序

阻焊工序涉及熱加工過程，是影響板件翹曲的重要工序之一，插架烘板方式不當是翹曲影響最大的因素。當前阻焊工序使用的豬籠架腰較短，生產(chǎn)板近一半露在豬籠架以外，板遠離豬籠架的一端不受限，任其在其他外力作用下發(fā)生形變。而烘板溫度高達150 ℃，而且時間長，發(fā)生形變的板在阻焊膜固化后形成翹曲。而且由于阻焊膜固化包覆形變處，導致阻焊工序翹曲難以整平。另外，工序部分嚴重損壞的豬籠架還在繼續(xù)使用，也存在不同尺寸生產(chǎn)板同時使用一個豬籠架等現(xiàn)象，都給翹曲帶來很大風險。針對豬籠架的不適當使用，統(tǒng)一制作使用高腰豬籠架，對生產(chǎn)板三面包夾烘板，限制板的自由度，減少板在阻焊工序生產(chǎn)的翹曲。

2.2.5 熱風整平工序

熱風整平錫液溫度高達288 ℃，熱風整平也是影響板件翹曲的重要工序之一。熱風整平過程是將生產(chǎn)板掛在卡槽導軌上，外力推動卡槽將生產(chǎn)板垂直浸入錫缸3 s左右，然后在風刀作用下控制錫厚。生產(chǎn)板熱風整平完成后，經(jīng)過氣浮床使板冷卻，再過熱風整平后處理清洗線。熱風整平過程影響翹曲形變主要有：（1）卡槽與板不完全垂直，使板受到擠壓發(fā)生形變，形變板在高溫錫缸受熱，熱應(yīng)力難以釋放，最終導致翹曲缺陷；（2）熱風整平過氣浮床前，生產(chǎn)板溫度一般高達170 ℃左右，板在高溫下剛性也不強，在氣浮床上板中和板邊受力不同，板形狀降落傘一樣。高溫板發(fā)生形變冷卻后，板內(nèi)熱應(yīng)力也難以釋放出，也會出現(xiàn)翹曲缺陷。

通過實驗驗證卡槽導軌和氣浮床兩個因素對當前該分成廠翹曲影響貢獻，試驗結(jié)果表明：熱風整平后直接過氣浮床是熱風整平工序?qū)е侣N曲缺陷的主要影響因素，而并非卡槽導軌。而且板越大越薄，翹曲呈變大趨勢，尺寸457 mm×610 mm板厚1.0 mm翹曲度高達0.79%，這也與理論相符。根據(jù)實驗結(jié)論，熱風整平后，采用熱風整平懸掛裝置懸掛板冷卻至85 ℃以下后，再過后處理清洗線，生產(chǎn)板基本無翹曲，能很好地改善氣浮床對板翹的影響。

2.2.6 包裝工序

（1）包裝鋁墊板。作為PCB生產(chǎn)制作最后的流程工序包裝，若因包裝不當，其對成品板平整度也會造成一定影響。包裝是在鋁板上操作，當前包裝工序鋁板因長期磨損出現(xiàn)損壞，還出現(xiàn)翹曲。在翹曲的鋁板上包裝操作，顯然存在一定翹曲風險。成品板因包裝不當造成翹曲報廢，這樣得不償失，因此包裝操作臺面也是至關(guān)重要的。當鋁墊板出現(xiàn)損壞、翹曲等影響板件形變的缺陷，需立即更換鋁墊板。

（2）包裝方式/存放方式。目前PCB包裝采用兩面不對稱材料（底面氣沖膜+頂面PE膜），PE膜受熱膨脹后包裝，包裝完成后，PE膜冷卻收縮，造成PCB板受力呈弧形。對于＜1 mm板厚需用鉆孔木墊板作支撐包裝，而鉆過孔木墊板本身剛性就不強，甚至有形變，導致包裝的板也會隨之發(fā)生形變翹曲。另外避免出貨PCB受潮，包裝時會放干燥劑包，客戶會將一包包PCB板重疊起來儲存。部分干燥劑包會高出板面，造成壓在干燥劑包的PCB板受堆壓后變形造成翹曲缺陷，這也是為什么出貨PCB無翹曲，客戶端存放一段時間后會出現(xiàn)翹曲的主要原因之一。

綜上，改變現(xiàn)有包裝方式是改善出貨板發(fā)生板翹的必經(jīng)之路。對翹曲高要求的PCB包裝取消干燥劑包的使用，考慮產(chǎn)品吸潮問題，包裝采用現(xiàn)有包裝+真空袋包裝方式。對于需放墊木板的包裝，木板需采用生產(chǎn)未使用過、全新的木墊板，并將木墊板放置于頂部。

2.2.7 其它

（1） 印序列號后烘板方式。部分客戶訂單需要對出貨板打印序列號，當前該分廠對印序列號的板，只露出字符序列號，重疊板烘板。對部分薄板或剛性不足的成品板而言，采用重疊板烘板方式，極易導致其在高溫環(huán)境下受板重力影響發(fā)生形變。避免成品板烘烤時發(fā)生翹曲，工序不能采取露出字符序列號重疊板烘烤方式，要將每塊板單獨放在網(wǎng)架上烘烤，禁止出現(xiàn)疊板現(xiàn)象。

（2） 烘板整平設(shè)備及其規(guī)范使用。研究表明烘板整平是翹曲改善的有效輔助措施，其原理是：翹曲板在高溫下回到或接近固化階段的反向翹曲狀態(tài)，然后取出放在大理石臺面上快速冷卻；由于板子恢復形變是一個馳豫過程，當冷卻時間小于馳豫時間時，分子鏈段運動在形變完全恢復前停止，使板子“凍結(jié)”在較為平整的狀態(tài)。但也要注意疊板數(shù)量、不同型號板不能同時在同一層壓板整平等要求。

3 改善效果

從2014年6月份下旬開始陸續(xù)實施改善措施以來，該分廠板件翹曲一次不良率和報廢率均呈下降趨勢。翹曲缺陷一次不良率改善約55%，翹曲缺陷報廢率改善70%。從后續(xù)改善措施鞏固落實執(zhí)行情況下，該分廠板件翹曲缺陷有更大的改善效果。

4 小結(jié)

本文通過對我司分廠板件翹曲缺陷問題的調(diào)研分析，確定主要為非機理性翹曲，是生產(chǎn)管控不當所導致。從制程上對板件翹曲缺陷做了詳細的原因分析，并分別從工程設(shè)計優(yōu)化、層壓、電鍍、阻焊、熱風整平、包裝等工序做了針對性改善，改善效果良好。以上對非機理翹曲缺陷的分析供業(yè)內(nèi)參考。

[1]楊維生. 再論多層電路板之翹曲問題[J]. 印制電路資訊. 2004,2.

[2]毛付立紅. PCB翹曲度控制[J]. 印制電路信息, 2003,10.

劉攀，技術(shù)中心 產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)理。

Analysis for the influence factors on non-mechanism warpage of PCB

LIU Pan ZHANG Lai-ping

The PCB board warpage is one of the key difficult problems in the industry. The warpage board seriously affect the welding process of welding components. And it could easily lead to significant quality problems. The IPC standard points out clearly that the warpage acceptance standard is less than or equal to 0.75%, or even higher demand is less than or equal to 0.5%. So it brings a lot of trouble to PCB manufacturers. Based on the principle of rationality, the board warpage can be divided into the machine and non-mechanism warping machine. The machine rational structure is mainly related to the impact folded, graphic design, such as the distribution of reasons. It is difficult to be effectively improved, and the non rational warping machine is mainly affected by the manufacturing process. This article mainly from our actual case starting, made analysis on the main factors influencing the panel of non rational warping machine in the manufacturing process. Moreover, we proposed targeted improvement measures, for industry technical personnel to refer to.

Warpage; Non-Mechanism; Influence Factors

TN41

A

1009-0096（2015）03-0087-05