PCB生產(chǎn)中產(chǎn)品翹曲的成因與對(duì)策

張伯平

（邢臺(tái)市海納電子科技有限責(zé)任公司，河北 邢臺(tái) 054700）

PCB生產(chǎn)中產(chǎn)品翹曲的成因與對(duì)策

張伯平

（邢臺(tái)市海納電子科技有限責(zé)任公司，河北 邢臺(tái) 054700）

翹曲是印制板生產(chǎn)中最常見(jiàn)而又最難解決的問(wèn)題。綜合分析造成印制板翹曲的原因主要為應(yīng)力。本文從板材材料因素、板材生產(chǎn)設(shè)備因素及印制板生產(chǎn)工藝等方面詳細(xì)論述了問(wèn)題產(chǎn)生的原因及解決方法。

PCB生產(chǎn)；印制板；翹曲

在PCB&CCL行業(yè)的共同努力下，印制板的基材逐漸向高檔基材和綠色環(huán)保型基材方向發(fā)展，適用于SMT，耐熱性高、熱穩(wěn)定性好、低介電常數(shù)、耐離子遷移、無(wú)基材翹曲、加工性能良好等將成為今后一段時(shí)間基材的發(fā)展方向。當(dāng)前對(duì)于SMT和BGA等安裝的板，按當(dāng)前印制板制造技術(shù)，要保證在PCB制程中各種狀態(tài)下所有的板翹均達(dá)到0.5%以?xún)?nèi)，除印制板生產(chǎn)控制外，板材的生產(chǎn)過(guò)程及成品板的使用都需要共同控制。

1　基材原材料因素

原材料因素可分為固定因素和品質(zhì)因素。

1.1固定因素

原材料固定因素是指組成基材的主要原材料玻纖布、銅箔、環(huán)氧樹(shù)脂的熱膨脹系數(shù)相差很大，如E-玻纖布為5.04x10-6/℃、銅箔為1.7x10-5/℃、雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂為8.5x10-5/℃。環(huán)氧樹(shù)脂的固化收縮率是玻纖布的十幾倍，是銅箔的五六倍。基材在生產(chǎn)過(guò)程中由于熱脹冷縮的緣故，銅箔和基板的膨脹系數(shù)存在明顯差異，從而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力的釋放產(chǎn)生基材翹曲［1］。

1.2品質(zhì)因素

原材料品質(zhì)因素，在三大主材中的玻纖布結(jié)構(gòu)是各向異性，如經(jīng)向和緯向密度不同、經(jīng)向與緯向強(qiáng)度不同等，必定造成產(chǎn)品各個(gè)方向的應(yīng)力不相同，也是造成產(chǎn)品翹曲的一個(gè)重要因素。當(dāng)配方中有兩種或兩種以上樹(shù)脂并用時(shí)，兩種樹(shù)脂的固化進(jìn)程可能不一致，交聯(lián)密度可能不均衡等而造成應(yīng)力。

2　基材生產(chǎn)設(shè)備因素

基材設(shè)備影響因素是指覆銅板生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)備影響因素，包括如下幾個(gè)方面：

2.1在上膠過(guò)程中，上膠機(jī)的烘箱高度很高，由于自重作用，玻纖布會(huì)受到一個(gè)重力作用而產(chǎn)生變形。上膠機(jī)的被動(dòng)輥很多，阻力較大，需有一個(gè)力才能將玻纖布拉過(guò)上膠機(jī)，這個(gè)力（俗稱(chēng)“張力”），有可能使玻纖布變形。玻纖布變形或粘結(jié)片變形都使產(chǎn)品存在“內(nèi)應(yīng)力”而易翹曲。

2.2上膠機(jī)烘箱溫度分布不盡相同及黏結(jié)片上各處樹(shù)脂含量不同造成粘結(jié)片各個(gè)部位凝膠化時(shí)間（GT）有所不同。凝膠化時(shí)間、膠含量及固體物含量的不同，使黏結(jié)片在熱壓成型時(shí)流膠程度和固化進(jìn)程與固化程度產(chǎn)生差異，使產(chǎn)品存在“內(nèi)應(yīng)力”，導(dǎo)致產(chǎn)品翹曲。

2.3層壓機(jī)熱壓板溫度分布存在差異，在產(chǎn)品熱壓成型過(guò)程中使產(chǎn)品各個(gè)部位固化進(jìn)程與固化程度存在差異，使產(chǎn)生“內(nèi)應(yīng)力”而翹曲。此外，熱壓板、托板、鏡面板加工精度變形等對(duì)產(chǎn)品翹曲度均會(huì)有所影響。

2.4牛皮紙、石棉型或橡膠型緩沖墊等不同材質(zhì)墊板材料，其厚度分布均勻性、使用厚度、使用次數(shù)等對(duì)傳熱效果均有不同影響，也即對(duì)產(chǎn)品固化進(jìn)程均勻性有影響，對(duì)產(chǎn)品翹曲度也產(chǎn)生影響。

2.5基材生產(chǎn)壓機(jī)大體上都是采用上、下擠壓式，這種壓合方式使產(chǎn)品在熱壓成型過(guò)程中，由于壓力、傳熱、固化反應(yīng)使產(chǎn)品中間部位的固化進(jìn)程與四周存在明顯差異，這也是產(chǎn)品存在“內(nèi)應(yīng)力”因素。

2.6由于設(shè)備“內(nèi)應(yīng)力”的釋放使產(chǎn)品形成不同程度翹曲，由“內(nèi)應(yīng)力”造成制品翹曲較難整平。此外，解板、剪板過(guò)程中也會(huì)造成翹曲。這些屬于外力因素，較容易整平。

3　印制板生產(chǎn)制程因素

要使印制板滿足電子產(chǎn)品SMT及BGA安裝要求，除了基板平整度應(yīng)有基本保證之外，PCB制程也有很大影響。如兩面導(dǎo)電圖形與線路面積均衡性、多層板疊層對(duì)稱(chēng)性、內(nèi)層板與固化片經(jīng)緯方向一致性，對(duì)制成品翹曲度變化均有一定影響，而影響較大的為溫度，在PCB制程中，制品要經(jīng)歷若干熱沖擊、熱處理，當(dāng)處理溫度超過(guò)覆銅板Tg時(shí)，應(yīng)盡量使基板雙面受熱盡量相同和均勻，處理時(shí)間盡量短，以減少基板翹曲［2］。

依試驗(yàn)為例說(shuō)明：該板總厚度為18～20mil，制作過(guò)程中板易變形，折傷引起板曲，該制板的Lay-up為對(duì)稱(chēng)性設(shè)計(jì)，壓板板曲是由于制板內(nèi)應(yīng)力未完全消除。機(jī)器磨板過(guò)程中由于機(jī)器原因會(huì)導(dǎo)致板翹曲卷起。沉銅電鍍過(guò)程中由于電流沖擊會(huì)造成板內(nèi)應(yīng)力的變化引起板翹曲。綠油制作過(guò)程中由于外層S/S和C/S面留銅率不一樣，綠油為熱固性樹(shù)脂，綠油黏附在板面，在鋦板時(shí)，對(duì)板面的作用力造成板彎，其次在插架鋦板過(guò)程中由于溫度高過(guò)Tg值板易變形。

3.1試驗(yàn)要求：針對(duì)以上問(wèn)題，本次試板采用如下幾點(diǎn)有針對(duì)性地進(jìn)行改善。

3.1.1使用新的排板，使整個(gè)Panel板面因壓板及綠油時(shí)，樹(shù)脂及綠油對(duì)板材造成的應(yīng)力兩面均勻。同時(shí)將S/S面假銅區(qū)增加無(wú)銅間隙，令整個(gè)Unit受力均勻。

新排板如下圖：

圖1　

3.1.2修改壓板程式，更好地消除壓板時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力；

3.1.3所有制程采用化學(xué)磨板，防止板卷曲；

3.1.4沉銅電鍍過(guò)程采用夾具，夾具每邊用夾子與板夾緊，夾具厚度為50mil，夾具形狀如下圖：

圖2　

在圖形電鍍過(guò)程中，夾具每使用一次需要褪錫。

3.1.5綠油終鋦過(guò)程采用IR爐，防止插架鋦爐時(shí)板曲；

3.1.6在整個(gè)試板過(guò)程中板要平拿平放。

3.2試板內(nèi)層制作：

3.2.1鋦板、切板：

一開(kāi)六方式切板，大料切板前需145±5℃，鋦11h。

3.2.2壓板：入爐前，爐溫必須降至45℃，出爐爐溫應(yīng)在45℃左右，用15張新牛皮紙。

3.3試板外層制作：

3.3.1鉆孔：

由于外層制作采用化學(xué)磨板，在鉆孔過(guò)程中盡量減小披峰，因此鉆孔時(shí)每疊板上覆蓋一塊尺寸與試板大小相同，厚度為40mil的覆銅板。

3.3.2沉銅、全板電鍍：

沉銅的前處理磨板使用內(nèi)層的化學(xué)磨板，速度為1.9m/min。

沉銅、全板時(shí)都采用夾具夾板。

3.3.3外層干菲林/圖形電鍍：

前處理磨板采用化學(xué)磨板；電鍍時(shí)需要使用夾具，夾具每使用一次需褪錫。

3.4FQC測(cè)試：

1—Ply Core總數(shù)360units，合格數(shù)340units，合格率為94.4%；

2—Ply Core總數(shù)340units，合格數(shù)296units，合格率為87.1%。

4　PCB成品使用的影響

4.1PCB成品的儲(chǔ)運(yùn)：為防止PCB成品在儲(chǔ)運(yùn)中發(fā)生板面變色、銅箔氧化、板材彎曲等性能下降而出現(xiàn)的品質(zhì)問(wèn)題，PCB成品在儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中，要防止雨淋、高溫、機(jī)械損傷、陽(yáng)光直射，應(yīng)儲(chǔ)存在陰涼、干燥、干凈、防水、防火、平坦和無(wú)腐蝕的空間。在取用、搬遷PCB成品板時(shí)，應(yīng)戴上柔軟、清潔的手套，防止用手直接接觸銅面，還要注意防止板角部位撞擊其他板面，造成質(zhì)量問(wèn)題及應(yīng)力發(fā)生［3-4］。

4.2PCB的設(shè)計(jì)和制作：

①必須搞清楚基材的經(jīng)、緯方向，特別是“正方形”形狀的產(chǎn)品，在生產(chǎn)過(guò)程中不能混淆。

②盡可能把板材的長(zhǎng)度方向設(shè)計(jì)為經(jīng)向，同時(shí)把承重放在經(jīng)向，充分利用經(jīng)向抗彎強(qiáng)度高的特點(diǎn)；

③因?yàn)榻?jīng)、緯方向的密度不同，根據(jù)統(tǒng)計(jì)的實(shí)際數(shù)據(jù)，對(duì)經(jīng)、緯方向的收縮率進(jìn)行不同數(shù)據(jù)的系數(shù)補(bǔ)償，從而消除內(nèi)應(yīng)力的影響，減少PCB成品板的翹曲。

4.3PCB的焊接：PCB成品板的焊接主要有波峰焊、回流焊、手工焊加工等。

①波峰焊加工中，焊接的溫度，實(shí)際是焊錫的溫度，焊接溫度過(guò)高，會(huì)造成線路銅箔或基材起泡、分層、翹曲，因此，對(duì)焊接溫度要嚴(yán)格控制。

②回流焊過(guò)程中，發(fā)生基材變形的原因一般為PCB成品吸潮所致，因此，要控制好成品上線前的預(yù)熱過(guò)程。

③手工焊主要是對(duì)特殊元器件的單獨(dú)補(bǔ)焊，電烙鐵的表面溫度及接觸時(shí)間應(yīng)嚴(yán)格控制。

5　總結(jié)

要提高印制板平整度，首先要保證覆銅板平整度，其次要注意印制板生產(chǎn)過(guò)程的控制。還要注意后續(xù)加工過(guò)程的控制。

5.1原材料樹(shù)脂配方的選用、膠液各技術(shù)參數(shù)的設(shè)定是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，如橡膠類(lèi)高分子材料，也有并用雙酚A側(cè)鏈型環(huán)氧樹(shù)脂，此類(lèi)樹(shù)脂具有頗長(zhǎng)側(cè)鏈，而使固化體系柔韌性增加，也有采用具體柔性分子鏈的固化劑，都可以達(dá)到提高固化體系柔韌性目的，減少固化時(shí)制品收縮率，有利于消除應(yīng)力，提高覆銅板平整度。

5.2在上膠過(guò)程中，黏結(jié)片各個(gè)技術(shù)指標(biāo)設(shè)定要與所選定樹(shù)脂配方相對(duì)應(yīng)，嚴(yán)格控制凝膠化時(shí)間、膠含量及固體物含量值，使其在橫向各不同部位及連續(xù)縱向的值盡量接近一致，減少產(chǎn)品內(nèi)應(yīng)力，是制作高平整度覆銅板的一個(gè)重要技術(shù)措施。

5.3熱壓條件設(shè)定應(yīng)與樹(shù)脂配方、粘結(jié)片各技術(shù)參數(shù)設(shè)定相對(duì)應(yīng)，如果樹(shù)脂配比已改變，此時(shí)，熱壓條件應(yīng)有所調(diào)整。熱壓條件中的升、降溫速率設(shè)定要與熱壓板面積、每一疊合產(chǎn)品張數(shù)、產(chǎn)品板厚，墊板材料厚度等相對(duì)應(yīng)。特別是對(duì)應(yīng)比較厚的產(chǎn)品，傳熱比較慢，如果升溫太快，會(huì)造成產(chǎn)品兩面受熱不一致，不均勻，造成固化進(jìn)程不一致，也易導(dǎo)致產(chǎn)品翹曲。

5.4壓力設(shè)定要適當(dāng)，壓力過(guò)低易產(chǎn)生流膠不足（與升溫速率過(guò)慢相同）而可能造成板厚薄不均。壓力設(shè)定及升壓時(shí)間設(shè)定，同樣與熱壓板面積、每一疊合產(chǎn)品張數(shù)。產(chǎn)品板厚等因素相關(guān)。一段加壓與分段加壓各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)視樹(shù)脂配方及黏結(jié)片合技術(shù)參考、層壓產(chǎn)品規(guī)格型號(hào)。

5.5疊配料時(shí)經(jīng)緯向交錯(cuò)或不同結(jié)構(gòu)玻纖布疊合，都會(huì)因固化收縮率不同而產(chǎn)生應(yīng)力。所以，要注意兩種黏結(jié)片玻纖布結(jié)構(gòu)是否相同，RC%、GT等技術(shù)參數(shù)是否相近，這也是減少應(yīng)力，提高產(chǎn)品平整度應(yīng)加以留意的一個(gè)方面。

5.6PCB在進(jìn)行線路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮產(chǎn)品的制造工藝及原材料特性：

①采用與無(wú)鉛焊料相對(duì)應(yīng)的高Tg基材；

②根據(jù)使用環(huán)境采用低吸收率、低膨脹系數(shù)的基材；

③根據(jù)加工環(huán)境，選用較好機(jī)械性能的基材。

5.7在印制板生產(chǎn)流程中，壓板、磨板、綠油及鋦板等流程進(jìn)行流程參數(shù)修改后，板翹曲度有改善；另外，適當(dāng)增加制板厚度，并在成品完成后適當(dāng)進(jìn)行熱壓矯正，可以明顯提高成品平整度。

5.8處理好成品板的儲(chǔ)運(yùn)及加工環(huán)境，就能防止其加工及使用的不良。

綜上所述，只有綜合分析各因素并采取相應(yīng)措施，就能取得較好的效果。

［1］辜信實(shí)，等.印制電路用覆銅箔層壓板［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

［2］張懷武，等.現(xiàn)代印制電路原理與工藝［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［3］祝大同.高導(dǎo)熱性樹(shù)脂開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的新進(jìn)展［M］.上海：印制電路信息，2012.

［4］孟昭光.厚銅箔印制板尺寸穩(wěn)定性研究［M］.上海：印制電路信息，2013.

Causes and Counter measures of Products Warp in the Production of PCB

Zhang Boping
（Xingtai Haina Electronic Technology Co.，LTD，Xingtai Hebei 054700）

Warp is the most common and most difficult problem in the production of PCB.PCB warp is mainly caused by stress factors through comprehensive analysis.This article discusses the causes and solutions of the problem from the plate material，sheet production equipment and PCB production process indetail.

PCB production；PCB；warp

TN41

A

1003-5168（2015）05-0020-3

2015-4-28

張伯平，高級(jí)工程師，研究方向：印刷線路板、特種電鍍工藝。