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        線路板廠告訴你PCB翹曲原因及防止方法

         SMT又叫表面貼裝技術,制作過程中,在一種加熱環境下,焊錫膏受熱融化,從而使得PCB焊盤通過焊錫膏合金與表面貼裝元器件可靠的結合在一起。我們稱這個過程為回流焊。電路板經過Reflow(回流焊)時大多容易發生板彎板翹,嚴重的話甚至會造成元件空焊、立碑等情況。 

          在自動化插裝線上,線路板廠的PCB若不平整,會引起定位不準,元器件無法插裝到板子的孔和表面貼裝焊盤上,甚至會撞壞自動插裝機。裝上元器件的板子焊接后發生彎曲,元件腳很難剪平整齊。板子也無法裝到機箱或機內的插座上,所以,裝配廠碰到板翹同樣是十分煩惱。目前,印制板已進入到表面安裝和芯片安裝的時代,裝配廠對板翹的要求必定越來越嚴。

          據美國IPC—6012(1996版)《剛性印制板的鑒定與性能規范》,用于表面安裝印制板的允許最大翹曲和扭曲為0.75%,其它各種板子允許1.5%。這比IPC—RB—276(1992版)提高了對表面安裝印制板的要求。目前,各電子裝配廠許可的翹曲度,不管雙面或多層,1.6mm厚度,通常是0.70~0.75%,不少SMT,BGA的板子,要求是0.5%。部分電子工廠正在鼓動把翹曲度的標準提高到0.3%,測試翹曲度的方法遵照GB4677.5-84或IPC—TM—650.2.4.22B。把印制板放到經檢定的平臺上,把測試針插到翹曲度最大的地方,以測試針的直徑,除以印制板曲邊的長度,就可以計算出該印制板的翹曲度了。 

          那么在PCB制板過程中,造成板彎和板翹的原因有哪些?下面我們來探討一下。 

          每個板彎與板翹所形成的原因或許都不太一樣,但應該都可以歸咎于施加于板子上的應力大過了板子材料所能承受的應力,當板子所承受的應力不均勻或是板子上每個地方抵抗應力的能力不均勻時,就會出現板彎及板翹的結果。以下是總結的造成板彎和板翹四大原因。 

        1.電路板上的鋪銅面面積不均勻,會惡化板彎與板翹 

          一般電路板上都會設計有大面積的銅箔來當作接地之用,有時候Vcc層也會設計有大面積的銅箔,當這些大面積的銅箔不能均勻地分佈在同一片電路板上的時候,就會造成吸熱與散熱速度不均勻的問題,電路板當然也會熱脹冷縮,如果漲縮不能同時就會造成不同的應力而變形,這時候板子的溫度如果已經達到了Tg值的上限,板子就會開始軟化,造成永久的變形。 

        2.電路板本身的重量會造成板子凹陷變形 

          一般回焊爐都會使用鏈條來帶動電路板于回焊爐中的前進,也就是以板子的兩邊當支點撐起整片板子,如果板子上面有過重的零件,或是板子的尺寸過大,就會因為本身的種量而呈現出中間凹陷的現象,造成板彎。 

        3.V-Cut的深淺及連接條會影響拼板變形量 

          基本上V-Cut就是破壞板子結構的元兇,因為V-Cut就是在原來一大張的板材上切出V型溝槽來,所以V-Cut的地方就容易發生變形。 

        4.電路板上各層的連結點(vias)會限制板子漲縮 

          現今的電路板大多為多層板,而且層與層之間會有向鉚釘一樣的連接點(via),連結點又分為通孔、盲孔與埋孔,有連結點的地方會限制板子漲冷縮的效果,也會間接造成板彎與板翹。 

          那么我們在制造過程中如何更好的防止板翹曲的問題發生呢,下面總結了幾個有效方法,希望能幫到大家。 

        1.降低溫度對板子應力的影響 

          既然「溫度」是板子應力的主要來源,所以只要降低回焊爐的溫度或是調慢板子在回焊爐中升溫及冷卻的速度,就可以大大地降低板彎及板翹的情形發生。不過可能會有其他副作用發生,比如說焊錫短路。 

        2.采用高Tg的板材 

          Tg是玻璃轉換溫度,也就是材料由玻璃態轉變成橡膠態的溫度,Tg值越低的材料,表示其板子進入回焊爐后開始變軟的速度越快,而且變成柔軟橡膠態的時間也會變長,板子的變形量當然就會越嚴重。采用較高Tg的板材就可以增加其承受應力變形的能力,但是相對的材料的價錢也比較高。 

        3.增加電路板的厚度 

          許多電子的產品為了達到更輕薄的目的,板子的厚度已經剩下1.0mm、0.8mm,甚至做到了0.6mm的厚度,這樣的厚度要保持板子在經過回焊爐不變形,真的有點強人所難,建議如果沒有輕薄的要求,板子最好可以使用1.6mm的厚度,可以大大降低板彎及變形的風險。 

        4.減少電路板的尺寸與減少拼板的數量 

          既然大部分的回焊爐都采用鏈條來帶動電路板前進,尺寸越大的電路板會因為其自身的重量,在回焊爐中凹陷變形,所以盡量把電路板的長邊當成板邊放在回焊爐的鏈條上,就可以降低電路板本身重量所造成的凹陷變形,把拼板數量降低也是基于這個理由,也就是說過爐的時候,盡量用窄邊垂直過爐方向,可以達到最低的凹陷變形量。 

        5.使用過爐托盤治具 

          如果上述方法都很難作到,最后就是使用過爐托盤(reflow carrier/template)來降低變形量了,過爐托盤可以降低板彎板翹的原因是因為不管是熱脹還是冷縮,都希望托盤可以固定住電路板等到電路板的溫度低于Tg值開始重新變硬之后,還可以維持住原來的尺寸。 

          如果單層的托盤還無法降低電路板的變形量,就必須再加一層蓋子,把電路板用上下兩層托盤夾起來,這樣就可以大大降低電路板過回焊爐變形的問題了。不過這過爐托盤挺貴的,而且還得加人工來置放與回收托盤。 

        6.改用Router替代V-Cut的分板使用 

          既然V-Cut會破壞電路板間拼板的結構強度,那就盡量不要使用V-Cut的分板,或是降低V-Cut的深度。 

        7.工程設計中貫穿三點: 

          A.層間半固化片的排列應當對稱,例如六層板,1~2和5~6層間的厚度和半固化片的張數應當一致,否則層壓后容易翹曲。 

          B.多層板芯板和半固化片應使用同一供應商的產品。 

          C.外層A面和B面的線路圖形面積應盡量接近。若A面為大銅面,而B面僅走幾根線,這種印制板在蝕刻后就很容易翹曲。如果兩面的線路面積相差太大,可在稀的一面加一些獨立的網格,以作平衡。 

        8.半固化片的經緯向: 

          半固化片層壓后經向和緯向收縮率不一樣,下料和迭層時必須分清經向和緯向。否則,層壓后很容易造成成品板翹曲,即使加壓力烘板亦很難糾正。多層板翹曲的原因,很多就是層壓時半固化片的經緯向沒分清,亂迭放而造成的。 

          區別經緯向的方法:成卷的半固化片卷起的方向是經向,而寬度方向是緯向;對銅箔板來說長邊時緯向,短邊是經向,如不能確定可向生產商或供應商查詢。 

        9.下料前烘板: 

          覆銅板下料前烘板(150攝氏度,時間8±2小時)目的是去除板內的水分,同時使板材內的樹脂完全固化,進一步消除板材中剩余的應力,這對防止板翹曲是有幫助的。目前,許多雙面、多層板仍堅持下料前或后烘板這一步驟。但也有部分板材廠例外,目前各PCB廠烘板的時間規定也不一致,從4~10小時都有,建議根據生產的印制板的檔次和客戶對翹曲度的要求來決定。剪成拼板后烘還是整塊大料烘后下料,二種方法都可行,建議剪料后烘板。內層板亦應烘板…… 

        10.層壓后除應力: 

          多層板在完成熱壓冷壓后取出,剪或銑掉毛邊,然后平放在烘箱內150攝氏度烘4小時,以使板內的應力逐漸釋放并使樹脂完全固化,這一步驟不可省略。 

        11.薄板電鍍時需要拉直: 

          0.4~0.6mm超薄多層板作板面電鍍和圖形電鍍時應制作特殊的夾輥,在自動電鍍線上的飛巴上夾上薄板后,用一條圓棍把整條飛巴上的夾輥串起來,從而拉直輥上所有的板子,這樣電鍍后的板子就不會變形。若無此措施,經電鍍二三十微米的銅層后,薄板會彎曲,而且難以補救。 

        12.熱風整平后板子的冷卻: 

          印制板熱風整平時經焊錫槽(約250攝氏度)的高溫沖擊,取出后應放到平整的大理石或鋼板上自然冷卻,在送至后處理機作清洗。這樣對板子防翹曲很有好處。有的工廠為增強鉛錫表面的亮度,板子熱風整平后馬上投入冷水中,幾秒鐘后取出在進行后處理,這種一熱一冷的沖擊,對某些型號的板子很可能產生翹曲,分層或起泡。另外設備上可加裝氣浮床來進行冷卻。 

        13.翹曲板子的處理: 

          管理有序的工廠,印制板在最終檢驗時會作100%的平整度檢查。凡不合格的板子都將挑出來,放到烘箱內,在150攝氏度及重壓下烘3~6小時,并在重壓下自然冷卻。然后卸壓把板子取出,在作平整度檢查,這樣可挽救部分板子,有的板子需作二到三次的烘壓才能整平。若以上涉及的防翹曲的工藝措施不落實,部分板子烘壓也沒用,只能報廢。

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