多層印制板翹曲的原因分析及對策

莊偉洲

（汕頭超聲印制板公司，廣東 汕頭 515041）

0 引言

翹曲是多層板生產(chǎn)中最常見而又最難解決的缺陷。隨著PCB行業(yè)與表面貼裝工藝的發(fā)展，PCB線路密集度越來越高，表面貼裝的零件也越來越多，PCB自身的翹曲變形對貼裝工藝的影響也越來越高。當翹曲過大時，不僅給電子產(chǎn)品安裝帶來困難，還會導致器件斷裂等可靠性隱患。如何解決翹曲問題，目前業(yè)界并沒有一個徹底解決的標準做法，故本文重點結合實際生產(chǎn)碰到的案例，對影響多層板件翹曲產(chǎn)生的原因進行分析，并提出相應的改善對策，供同行參考改善。

1 多層板翹曲要求

翹曲指多層板偏離基準平臺的變形，按變形表現(xiàn)可分為弓曲和扭曲。翹曲度測試方法在IPCTM-650中有規(guī)定（見圖1），翹曲度計算方法：翹曲高度/曲邊長度×100%。按IPC-6012標準，SMT的PCB最大翹曲度不大于0.75%，其它印制板翹曲度一般不超過1.5%；實際電子裝配廠允許的翹曲度通常是0.70%～0.75%，還有不少印制板如SMB（表面組裝板）、BGA（球柵陣列）板子要求翹曲度小于0.5%；部分工廠甚至小于0.3%。

圖1 IPC-TM-650檢測方法

2 多層板翹曲的成因

多層板翹曲主要是受各種原材料和半成品的CTE（熱膨脹系數(shù)）不匹配（見表1）、熱壓下樹脂流動與固化反應、玻纖布或半固化片的拉伸與裁切及生產(chǎn)過程中的各種濕熱處理等形成的殘留熱應力和機械應力，因而引起有規(guī)則和無規(guī)則的變形。其中殘留熱應力主要產(chǎn)生于疊層設計（半固化片、芯板厚度及基銅厚度）和壓合過程，機械應力則主要產(chǎn)生在板件搬運、烘烤等過程中。

表1 不同材料的CTE典型值

3 生產(chǎn)中多層板翹曲的改善對策

3.1 多層板殘留熱應力改善

對于多層板制作，為降低板件因殘留熱應力而帶來的翹曲風險，開料烘板、半固化片與芯板的經(jīng)緯向保持一致、疊層設計（半固化片、圖形、芯板厚度及基銅厚度）鏡面對稱及嚴格控制壓合過程的升降溫速率已為常規(guī)要求[1][2]，本文不做逐一詳細闡述。主要針對在實際生產(chǎn)過程中，因客戶對介質層厚度、阻抗及信號完整性等各種實際需求，無法設計對稱疊層的板件進行分析優(yōu)化。此類板件因設計問題，難以通過層壓工藝條件的優(yōu)化等過程控制措施進行改善，故對疊層設計提出相應的改善措施。

3.1.1 盲孔板件流程設計優(yōu)化

由于客戶設計需要，存在類似（1+2）+2+1的“假對稱”疊層設計，由于1～3層已經(jīng)過一次次內層壓合，對于二次壓合來說，可看成是2+2+1的不對稱結構，此類板件壓后高概率出現(xiàn)翹曲（見圖2）。對于此類疊層板件，可通過增加一次次內層壓合，在不改變客戶介質層厚度要求的前提下，改為（1+2）+（2+1）的“真對稱”疊層設計。

圖2 （1+2）+2+1疊層翹曲

3.1.2 介質層厚度不對稱優(yōu)化

當客戶設計的介質層厚度嚴重不對稱時，如L1-2的介質層厚度遠遠厚于其他介質層，從成本控制的角度出發(fā)，一般會選擇多張7628組合，但若其他介質層采用單張2116，由于7628半固化片的漲縮系數(shù)與2116半固化片差異較大，會導致板件壓后呈現(xiàn)向焊錫面嚴重弓曲（見圖3）。對于此類設計，通過將L1-2的介質層改為與芯板及其它介質層相匹配的多張2116組合，盡量保持芯板與半固化片為接近的玻布，減少因不同玻纖布存在的漲縮系數(shù)差異而導致板件翹曲。從實際生產(chǎn)板驗證及批量生產(chǎn)跟進，可以有效解決板件翹曲（見圖4）。

圖3 疊層一翹曲情況

圖4 疊層二翹曲情況

3.1.3 工藝邊設計優(yōu)化

由于PCBA裝配定位需要，部分板件有工藝邊設計，當工藝邊全包圍板內圖形時，容易因工藝邊與板內圖形殘銅率的差異，導致兩者存在殘應力而出現(xiàn)工藝邊翹曲異常。對于此類板件，工藝邊設計可根據(jù)板內圖形殘銅率情況，對應采用銅皮或平衡銅點進行填充工藝邊，同時可均勻增加吊點或郵票孔數(shù)量提升單元圖形與工藝邊之間的剛性來減少兩者的應力差（見圖5）。

圖5 出貨單元工藝邊翹曲

3.1.4 混壓疊層優(yōu)化

受材料可加工性、成本控制等多個方面的影響，越來越多的板件采用不同材料進行混壓（如Rogers+FR-4）的疊層設計，對于此類板件，即使芯板厚度及基銅厚度相似或相同，但由于不同材料的熱膨脹系數(shù)不同而容易出現(xiàn)定向性翹曲。對于此類板件，需優(yōu)先在疊層上設計材料對稱，若無法實現(xiàn)，則需優(yōu)化層壓加工條件，降低層壓降溫速率等方法來降低翹曲的程度。

3.2 多層板加工過程機械應力優(yōu)化

對于加工過程機械應力，主要為銅的延展性影響導致板件在受到外力后難以完全復原，板厚越薄，銅越厚，則受影響的概率越大。此類翹曲雖然可以通過烘壓進行校正，但增加了加工成本和占用生產(chǎn)資源。本文通過對0.5 mm薄板進行跟進，對重點工序試驗并收集翹曲數(shù)據(jù)。

3.2.1 電鍍夾板方向影響

在垂直電鍍線沉銅電鍍，薄板在下電鍍缸時存在藥水阻力和振蕩搖擺的影響，容易出現(xiàn)板件彎曲和不規(guī)則扭曲，故跟進收集薄板不同夾板方向的翹曲度。從表2收集的數(shù)據(jù)來看，橫向夾板由于垂直方向的行程較短，相對受藥水阻力和振蕩搖擺的影響程度較低，整體翹曲度較低。

表2 不同電鍍夾板方向的翹曲度

3.2.2 阻焊后固化烘板影響（見表3）

由于阻焊后固化采用插架進行固定板件后在烘箱進行高溫烘板，存在熱脹冷縮，插架的固定方式對板件翹曲變形有較大影響。從收集不同固定方式的板件翹曲度來看，在插架上施加一個外力進行拉直，使板件在升降溫過程一直處于相對平直的狀態(tài)，對板件翹曲控制的效果最好，而對插架施加一個內壓力使板件彎曲烘板，受銅延展性影響，板件翹曲程度有明顯加劇現(xiàn)象，反向擠壓并沒有起到負負得正的效果。

表3 不同插架固定方式對翹曲的影響

4 結論

本文主要對多層板生產(chǎn)中翹曲的形成原因進行分析，重點介紹不對稱疊層設計的殘余熱應力影響，從根本成因分析，并提出對應的系統(tǒng)改善對策，同時針對薄板過程應力產(chǎn)生的原因進行分析和驗證。