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PCBA大講堂:如何避免PCB材料不良或SMT加工變形?

time : 2019-09-16 09:09       作者:凡億pcb

PCBA大講堂:如何避免PCB材料不良或SMT加工變形?
PCB翹曲容易導致SMT元件上料位置偏移,影響終端制品品質。
 
PCB板經過生產線加工、上料后,通常容易出現PCB板翹曲變形問題,不但影響SMT上料元器件位置位置偏移,也可能影響終端產品品質與耐用度,嚴重者可能導致元器件空焊。
 
大面積PCB若電子元器件數量多、重量較重,板材強度不夠時容易產生PCB中央部凹陷問題。
大面積PCB若電子元器件數量多、重量較重,板材強度不夠時容易產生PCB中央部凹陷問題。
 
PCB電路板可以說是電子設備的基礎,若基礎不平整,關鍵元器件、半導體不夠貼合,加上自動化高速生產,常常會導致元件空焊或是元件如同立碑般不良組裝狀態,這種問題小則導致電子電路功能不穩定、大則可能出現誤動作或是電路短路∕開路故障。
 
自動化生產PCB板材  平整度影響生產良率
尤其是大量生產的產線環境,新一代電子設備產線多半透過自動化SMT(surface-mount devices)上料、自動回焊元器件機制,從上錫∕上料等都是由自動化設備高速運行,已不是人工加工處理所能應付,甚至在大量微縮產品機構、體積,元器件的布局更緊湊,多半需要自動化生產設備才可能完成加工程序。
 
在自動化加工設備產制流程,基本上是以PCB為全平整狀態下進行自動上料的位置定位標定,為求生產速度,在往復上料、定位程序可能會因為產速需要加快或縮減,若PCB在生產過程或加工上料前出現板材翹曲或變形,大型IC半導體上料或是SMT元件焊接上料就可能出現前述問題,導致產品生產品質與穩定性降低,產線針對故障品、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導致上料定位不夠精準,大型點功率元件可能無法準確插裝或貼裝在PCB表面,較差狀況可能會因為錯誤插件把插裝機搞故障,自動化產線因為問題出現∕排除、導致產速下降。
 
至于插件歪斜的元器件也可能不影響插件或是焊接生產,但歪斜的元件雖不影響功能卻可能讓后續機殼組裝產生無法安裝到機箱或組裝加工問題,事后人工再加工處理也會產生重工成本。尤其是SMT技術正朝高速化、智能化、高精密度方向升級,但PCB板容易翹曲卻往往成了阻礙生產速度再提升的瓶頸。
 
SMT自動化加工  上料精度為優化重點
以SMT加工自動化機臺為例,元器件為利用吸嘴運用吸力吸住電子料件,PCB經過上加熱焊膏快速將元器件上料貼合,達到完美上料∕焊接的狀態,必須是元件吸附平穩、焊膏加熱處理時機恰到好處,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,導致元件拋料問題造成元器件移位、或是貼片機的下壓力道過大導致料件焊接點的焊膏被擠出焊點狀態,這些狀況尤其在PCB翹曲不平整時最容易被凸顯出來,不平整的PCB也成為自動上料機頻繁需要排除的問題點。
 
PCB不平整不僅會造成拋料或是料件擠壓問題,對腳位密集的半導體、整合晶片元器件也極容易因為左右上下移位(平移誤差)或是角度移位(旋轉誤差),導致上料位置偏移,偏移的結果可能導致半導體IC接腳虛焊甚至空焊問題發生。
 
PCB容許變形量越低越好
在IPC所列的標準有提到SMT貼片機所對應的PCB最大容許變形量約在0.75%,若是不進入自動化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PCB翹曲程度的低標準要求,若要滿足SMT貼片機的自動化加工精準度與預度,對于PCB變形量控制標準必須比0.75%要求更高,可能必須要要求至少0.5%甚至是0.3%高標準要求。 
 
檢視PCB為何產生翹曲?其實PCB為銅箔、玻璃纖維、樹脂等復合材料使用化學膠料搭配物理壓合、貼合制成的復合板材,每種材料的彈性、膨脹系數、硬度、應力表現都不同,受熱膨脹的狀況也會有差異,在PCB加工過程會經過多段熱處理、機械切割、化學材料浸泡、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。
 
導致PCB翹曲成因復雜  必須從材料∕制程多方分析
雖然導致PCB翹曲變形的原因復雜,但至少可以從幾個可以著手的角度進行處理。首先,須先針對PCB板為何變形進行原因分析,知道產出問題關鍵才能找出對應解法,降低PCB板變形問題可以自材料、復合板材結構、蝕刻線路圖形分布、加工制程等面向進行思考與研究。
 
而PCB翹曲的多數成因,會發生在PCB制程本身的問題,因為當電路板上的覆銅面積有差異時,如電路板為了電磁問題改善或電氣特性優化,會將地線線路刻意大面積處理,而數據線路則相對密集蝕刻,這會導致PCB本身的覆銅產生局部的面積差異,當大面積覆銅銅箔無法均勻分布于同一張PCB時。
 
當設備運行產生的熱,或加工機具、處理產生的熱,就會導致PCB出現熱漲冷縮物理現象,加上覆銅不均勻產生局部應力差異,電路板翹曲自產生,若板子的熱漲冷縮導致的應力差異達到材料極限值,就會造成PCB永久性的翹曲變形。
 
PCB覆銅厚度與線路布局  也會影響板材平整條件
另一個狀況也是PCB穿孔、連接點數量問題,以HDI高密度PCB來說連接點、穿孔數量與內連線路繁復,大量的連通孔、盲孔、埋孔也會在設置孔位的位置限制了PCB熱漲冷縮現象,間接導致PCB出現不平整、彎曲或翹曲現象。
 
在實務面會發現,當元器件數量、重量增加,也會因為材料重量壓覆導致PCB出現凹陷變形,這在大型的PCB如電腦主機板、服務器電路板等較容易出現,尤其是產線使用鍊條將板材兩端導入回焊爐進行上錫處理,板子若裝載零件過重就會導致板材中央部凹陷。
 
考量解決彎板、PCB板翹曲問題,必須從設計面、材料面、制程面多方思考可能成因,透過產線的制程、制品產出問題點進行分析、推導可能成因,透過系統性的優化程序逐步改善。例如,可以從板材的壓合材料、設計結構、線路圖等對板材產生的變形進行參照與分析。
 
對于PCB覆銅的處理必須考量覆銅厚度、銅箔的熱膨脹系數等。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構設計,尤其薄化的PCB更容易出現板材翹曲問題。PCB進料儲放也是可能產生翹曲變形的重點,因為PCB本身板材即為復合材料,在潮濕環境可能因置放堆迭或是吸濕出現基板變形。
 
PCB板在上料、加工過程出現變形也是最常見的現象,加工變形會比料件本身變形分析更加困難,因為變因可能性相當多,如機械應力、熱應力等都有可能發生,在PCB本身制造生產過程,如蝕刻、貼合、加工等就會遭遇機械應力影響,產制完成之PCB成品如前述在搬運、堆置、儲放、甚至末端清洗與烘烤過程,也會出現可能的板材翹曲。
 
一般的覆銅板材,若為雙面、線路∕結構對稱,可以在壓合過程中減低變形狀態,但實際的生產狀況卻不是這么完美,首先線路要達到完全對稱就極為困難,覆銅厚度也會因為制程條件的變動出現差異,更遑論精密度更高、貼合線路更繁復的HDI多層板結構,材料設計在控制低板材翹曲方面更為困難。