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(dāng)翹曲過大時(shí)，不僅給電子產(chǎn)品安裝帶來困難，還會導(dǎo)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(gè)徹底解決的標(biāo)準(zhǔn)做法，故本文重點(diǎn)結(jié)合實(shí)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(jìn)行分析，并提出相應(yīng)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(zhǔn)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(jì)算方法：翹曲高度/曲邊長度×100%。按IPC-6012標(biāo)準(zhǔn)，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(shí)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(yīng)、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(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，因而引起有規(guī)則和無規(guī)則的變形。其中殘留熱應(yīng)力主要產(chǎn)生于疊層設(shè)計(jì)（半固化片、芯板厚度及基銅厚度）和壓合過程，機(jī)械應(yīng)力則主要產(chǎn)生在板件搬運(yùn)、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(yīng)力改善

對于多層板制作，為降低板件因殘留熱應(yīng)力而帶來的翹曲風(fēng)險(xiǎn)，開料烘板、半固化片與芯板的經(jīng)緯向保持一致、疊層設(shè)計(jì)（半固化片、圖形、芯板厚度及基銅厚度）鏡面對稱及嚴(yán)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(xì)闡述。主要針對在實(shí)際生產(chǎn)過程中，因客戶對介質(zhì)層厚度、阻抗及信號完整性等各種實(shí)際需求，無法設(shè)計(jì)對稱疊層的板件進(jìn)行分析優(yōu)化。此類板件因設(shè)計(jì)問題，難以通過層壓工藝條件的優(yōu)化等過程控制措施進(jìn)行改善，故對疊層設(shè)計(jì)提出相應(yīng)的改善措施。

3.1.1 盲孔板件流程設(shè)計(jì)優(yōu)化

由于客戶設(shè)計(jì)需要，存在類似（1+2）+2+1的“假對稱”疊層設(shè)計(jì)，由于1～3層已經(jīng)過一次次內(nèi)層壓合，對于二次壓合來說，可看成是2+2+1的不對稱結(jié)構(gòu)，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(nèi)層壓合，在不改變客戶介質(zhì)層厚度要求的前提下，改為（1+2）+（2+1）的“真對稱”疊層設(shè)計(jì)。

圖2 （1+2）+2+1疊層翹曲

3.1.2 介質(zhì)層厚度不對稱優(yōu)化

當(dāng)客戶設(shè)計(jì)的介質(zhì)層厚度嚴(yán)重不對稱時(shí)，如L1-2的介質(zhì)層厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)厚于其他介質(zhì)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(zhì)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(dǎo)致板件壓后呈現(xiàn)向焊錫面嚴(yán)重弓曲（見圖3）。對于此類設(shè)計(jì)，通過將L1-2的介質(zhì)層改為與芯板及其它介質(zhì)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(dǎo)致板件翹曲。從實(shí)際生產(chǎn)板驗(yàn)證及批量生產(chǎn)跟進(jìn)，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(shè)計(jì)優(yōu)化

由于PCBA裝配定位需要，部分板件有工藝邊設(shè)計(jì)，當(dāng)工藝邊全包圍板內(nèi)圖形時(shí)，容易因工藝邊與板內(nèi)圖形殘銅率的差異，導(dǎo)致兩者存在殘應(yīng)力而出現(xiàn)工藝邊翹曲異常。對于此類板件，工藝邊設(shè)計(jì)可根據(jù)板內(nèi)圖形殘銅率情況，對應(yīng)采用銅皮或平衡銅點(diǎn)進(jìn)行填充工藝邊，同時(shí)可均勻增加吊點(diǎn)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(yīng)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(gè)方面的影響，越來越多的板件采用不同材料進(jìn)行混壓（如Rogers+FR-4）的疊層設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)材料對稱，若無法實(shí)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(jī)械應(yīng)力優(yōu)化

對于加工過程機(jī)械應(yīng)力，主要為銅的延展性影響導(dǎo)致板件在受到外力后難以完全復(fù)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(jìn)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(jìn)行跟進(jìn)，對重點(diǎn)工序試驗(yàn)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(shí)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(jìn)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(jìn)行固定板件后在烘箱進(jìn)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(gè)外力進(jìn)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(gè)內(nèi)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(fù)負(fù)得正的效果。

表3 不同插架固定方式對翹曲的影響

4 結(jié)論

本文主要對多層板生產(chǎn)中翹曲的形成原因進(jìn)行分析，重點(diǎn)介紹不對稱疊層設(shè)計(jì)的殘余熱應(yīng)力影響，從根本成因分析，并提出對應(yīng)的系統(tǒng)改善對策，同時(shí)針對薄板過程應(yīng)力產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析和驗(yàn)證。