【干貨】為什么PCB會變形彎曲?如何解決?
PCB(Printed Circuit Board,印刷電路板)變形和彎曲的原因可能有多種,以下是一些常見的原因:
1、PCB板面積太大
大面積的PCB可能在機械穩(wěn)定性方面不如小面積的PCB。板面積增大會增加PCB板自身的撓度和彎曲風(fēng)險,尤其是在受到外部機械應(yīng)力時。
大面積的PCB在熱膨脹方面可能會更為敏感。當(dāng)PCB板受熱時,材料會膨脹,而當(dāng)溫度降低時則會收縮。如果PCB板上的元件布局不合理或者PCB板本身的材料不均勻,這種膨脹和收縮會導(dǎo)致板材彎曲或扭曲。
大面積的PCB可能更難進行加工和裝配。在制造過程中,大面積的PCB需要更多的材料,更大的生產(chǎn)設(shè)備和更復(fù)雜的加工工藝。在裝配時,大面積的PCB也更容易受到外部應(yīng)力的影響,導(dǎo)致裝配困難和變形。
措施:在結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局允許的情況下盡量減小PCB面積
2、板子太薄
許多電子的產(chǎn)品為了達到更輕薄的目的,板子的厚度已經(jīng)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(jīng)過回焊爐不變形。
措施: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PCB板翹曲及變形的風(fēng)險。
3、劇烈溫度變化
電路板材料可能會因溫度的變化而膨脹或收縮,導(dǎo)致板材彎曲或扭曲。特別是在熱循環(huán)或急劇的溫度變化下,這種效應(yīng)可能會更加顯著。
熱膨脹和收縮:PCB材料在受熱時會膨脹,在降溫時會收縮。劇烈的溫度變化會引起PCB板材料的瞬時膨脹或收縮,導(dǎo)致板材產(chǎn)生應(yīng)力。這種應(yīng)力可能會導(dǎo)致PCB板變形或扭曲,尤其是在溫度變化頻繁或范圍較大的環(huán)境中。
熱應(yīng)力:劇烈的溫度變化會導(dǎo)致PCB板上的材料發(fā)生熱應(yīng)力,特別是當(dāng)板上的材料的熱膨脹系數(shù)不同或者板材厚度不均勻時。這種熱應(yīng)力可能導(dǎo)致板材的彎曲或翹曲,甚至?xí)p壞PCB板上的元件或連接。
界面效應(yīng):PCB板上不同材料的界面處可能因為熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生應(yīng)力集中,導(dǎo)致界面附近的板材變形或斷裂。
附加應(yīng)力:劇烈的溫度變化可能增加PCB板受到的機械應(yīng)力,尤其是在板材與外部結(jié)構(gòu)或支架連接時。這種附加應(yīng)力可能會加劇PCB板的變形。
措施:既然【溫度】是板子應(yīng)力的主要來源,所以只要降低回焊爐的溫度或是調(diào)慢板子在回焊爐中升溫及冷卻的速度,就可以大大地降低PCB板翹曲的情形發(fā)生。不過可能會有其他副作用發(fā)生,比如說焊錫短路。
4、 布局布線設(shè)計問題
線路板設(shè)計不當(dāng),例如在板材布局、元件分布等方面考慮不足,可能會導(dǎo)致板材局部應(yīng)力集中,從而引起彎曲。當(dāng)PCB上的元件布局不合理時,可能導(dǎo)致板材上的受力分布不均勻。如果某些區(qū)域集中了大量的元件或者元件分布不平衡,這些區(qū)域可能承受較大的機械應(yīng)力,導(dǎo)致局部應(yīng)力集中。
電路板上的鋪銅面面積不均勻,會惡化PCB板翹曲。
一般電路板上都會設(shè)計有大面積的銅箔來當(dāng)作接地之用,有時候Vcc層也會設(shè)計有大面積的銅箔,當(dāng)這些大面積的銅箔不能均勻地分布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(dāng)然也會熱脹冷縮,如果漲縮不能同時就會造成不同的應(yīng)力而變形,這時候板子的溫度如果已經(jīng)達到了Tg值的上限,板子就會開始軟化,造成永久的變形。
措施:均勻布局、均勻鋪銅
5、電路板上各層的過孔(vias)會限制板子漲縮
如果PCB板上的孔洞設(shè)計不當(dāng),如孔洞位置過于靠近邊緣或者孔徑過大,可能會削弱板材的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,導(dǎo)致局部應(yīng)力集中。
現(xiàn)今的電路板大多為多層板,而且層與層之間會有像鉚釘一樣的過孔(via),過孔又分為通孔、盲孔與埋孔,有過孔的地方會限制板子冷漲縮的效果,也會間接造成PCB板翹曲。
措施:避免大面積密集過孔,避免孔徑過大,用多個小孔解決大通流的需求。
6、電路板本身的重量會造成板子翹曲變形
PCB設(shè)計中,如果沒有考慮到板材的機械支撐問題,可能會導(dǎo)致板材在受力時局部撓度較大,從而引起應(yīng)力集中。
一般回流焊的爐子都會使用鏈條來帶動電路板向前傳遞,也就是以板子的兩邊當(dāng)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,就會因為本身的重量而呈現(xiàn)出中間凹陷的現(xiàn)象,造成翹曲。
7、V-Cut的深淺及連接條會影響拼板變形量
V-Cut(V型切割)是一種在PCB(Printed Circuit Board,印刷電路板)制造過程中常用的切割方法。它通常用于將一塊大的PCB板分割成多個較小的板塊,以便于后續(xù)的組裝或者使用。
V-Cut的工藝過程是通過一條特殊設(shè)計的刀具或者切割工具,以V型的形狀切割PCB板的表面。這條切割線通常位于PCB板上下兩側(cè)之間,形成了一個V形的槽。通過在這個V形槽中進行切割,可以相對容易地將PCB板切割成所需的尺寸。
基本上V-Cut就是破壞板子結(jié)構(gòu)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(fā)生變形。
措施:優(yōu)化拼板設(shè)計,或者優(yōu)化工藝邊設(shè)計,減小V-Cut長度。
8、焊接問題
電路板如果焊接過程中,焊料分布不均勻或焊接溫度不合適,會導(dǎo)致PCB上的元件與底板之間產(chǎn)生應(yīng)力,進而引起彎曲。
措施:需要優(yōu)化爐溫或者錫膏工藝,使用過爐托盤治具
如果上述方法都很難做到,最后就是使用過爐托盤 (回流焊 carrier/template) 來降低電路板的變形量了,過爐托盤治具可以降低PCB板翹曲的原理是因為治具材質(zhì)一般會選用鋁合金或合成石具有耐高溫的特性,所以電路板經(jīng)過回焊爐的高溫?zé)崦浥c之后冷卻下來的冷縮,托盤都可以起到穩(wěn)住電路板的功能,等到電路板的溫度低于Tg值開始恢復(fù)變硬后,還可以維持住原來的尺寸。
如果單層的托盤治具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。
9、材料問題
PCB設(shè)計中選用的材料可能會對板材的機械性能產(chǎn)生影響。如果選擇的材料強度不足或者彈性模量不匹配,可能會導(dǎo)致局部應(yīng)力集中。PCB制造過程中使用的材料質(zhì)量不良或者不均勻,例如玻璃纖維布、銅箔等材料的厚度或質(zhì)量不一致,可能導(dǎo)致PCB板的彎曲。
措施:采用高Tg的板材
10、裝配問題
在裝配或使用過程中,外部施加的機械應(yīng)力(例如彎曲、扭曲、擠壓等)可能會導(dǎo)致PCB板的變形。
措施:優(yōu)化裝配工藝
11、環(huán)境惡劣
PCB暴露在潮濕、腐蝕性氣體等環(huán)境中,可能會導(dǎo)致板材的吸濕膨脹或腐蝕,從而引起變形。
措施:三防設(shè)計、灌膠設(shè)計
12、拼板面積太大
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(dāng)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(shù)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。
措施:合理選擇拼板面積和拼板數(shù)量
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