KA_IX

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PCB形变分析以及高温回流详述

2021-4-20 15:21:19 显示全部楼层
浅析高温回流对 PCB 形变的研究
现在 SMT 工艺中 01005CHIP 元件和 0.4 pitch BGA 运用越来越多,而这种焊盘对印刷偏移非常敏感,容许度很小。引起印刷偏移主要来自于钢网本身偏差,印刷机定位和识别和 PCB,其中 PCB 形变特别是炉后的 PCB 形变在以前关注度较小。本文试图通过一些实验来研究这些变化,这对于 PCB来料管控和第二面 SMT 制造有积极意义。
一、PCB 形变对 SMT 制程的影响
对应高密度,细间距的 SMT 工艺来讲,PCB 形变可能导致锡膏印刷偏移,进而影响回流后焊接质量;还可能导致分板工序 PCB 与分板治具不匹配,出现分板后单板尺寸超差或者不能将 PCB 放入分板治具。
对印刷和炉后焊接质量影响主要是 01005CHIP 和 0.4pitch BGA,因为他们的焊盘小,对锡膏偏移的容许度小,如下图所示,
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图一,01005 焊盘单方向偏移 30um
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图二,01005 焊盘单方向偏移 50um
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图三,01005 焊盘单方向偏移 70um
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图四,01005 焊盘 X/Y 方向同时偏移 30um
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图五,01005 焊盘 X/Y 方向同时偏移 50um

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图六,01005 焊盘 X/Y 方向同时偏移 70um
从图一到图三可知,单方向偏移 30um 就是是可以接受的,超过 50um 就比较比较临界,超过70um 就会导致大量炉后焊接不良。实际情况 PCB 不是单方向形变的,在 X/Y 都存在形变,从图四到图六可知,X/Y 方向偏移 30um 就比较显著了,要是偏移达到 50um 就会导致大量炉后焊接不良, 偏移达到 70um 几乎不能产生良品了。以下是实际同一 PCB 形变导致锡膏偏移的照片。
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图七 锡膏偏移图
从图七可知,同样的偏移量,对 01005/0.4pitch 是不可接受的,但是对于 0.65pitch Sop 及 2125元件就是可以让步接收。所以笔者建议 01005/0.4pitch PCB 焊盘及 mark 点的坐标偏移量要小于 30um,最大不能超过 50um;对于 0201/0.5 pitch BGA, PCB 焊盘及 mark 点的坐标偏移量要小于 50um,最大不能超过 70um; 对于 0402 以上元件 PCB, 焊盘及 mark点的坐标偏移量要小于 70um,最大不能超过 100um。
二、高温对 PCB 形变的影响
多层 PCB 通过单片覆铜板的对合,粘压而成。多层 PCB 的玻璃化转化温度(Tg,下同)和层间剥离温度(Td,下同)随不同材料,不同设计,不同工艺有所不同,基本上 Tg 在 130℃~180℃之间,中等 Tg 在 150℃左右。
PCB 超过 Tg 再返回室温对形变和可靠性影响很大,在超过 Tg 时,整个 PCB 成熔融状态,刚性急剧减弱,柔性急剧增加,一些焊盘和线路会被向下和四周的水平应力拉变形。对应 PCB 很大或者有很重器件的回流焊接,建议通过回流托盘进行支撑,减少回流过程的形变。
无铅的回流炉温曲线一般在保温区(150℃~200℃)时长在 60~120sec 之间,回流区是(217℃~250℃)时长在 30~90sec 之间,即使在冷却区(217℃~170℃)也有 30sec 左右的时间。这说明 PCB 在高温回流时,温度超过 Tg 值的时常可达 150sec 到 230sec 之间。所以高温回流对 PCB 形变不能忽视。
三、研究思路
寻找典型 PCB 进行回流前和回流后进行焊盘偏移的测量,对坐标的理论值和实际值进行比较得到坐标偏移量。
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图 八 坐标测量示意
如图八所示,对于多拼版的 PCB,使用相同的基准点,分别测量各子板的 X 和 Y 值。则偏移为XOffset=Xstd-Xact, YOffset=Ystd-Yact,其中 STD 代表理论值,ACT 代表实际测量值。
PCB 主要选择全硬板(rigid PCB)和软硬结合板(rigid-flex PCB),对比分析全硬板和软件结合板在高温回流对 PCB 形变的影响。

四、数据分析
根据原始数据,我们对回流前后子板偏差,不同 PCB 偏差等进行分析,具体如下,
4.1 回流前 PCB 形变
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图 九 全硬板和软件结合板回流前 PCB 形变的数据汇总报告
从图九可以看到,全硬板平均 PCB 形变 11.52um, 软硬结合板平均 PCB 形变 26.74um。其中全硬板主要形变区间是 10um~13um 之间,而软硬结合板主要形变区间是 20um~33um 之间,并且会有少数偏差 200um 左右的极端情况,这将会导致 SMT 回流后缺陷,这是全硬板不会出现的。全硬板与软硬结合板的回流前 PCB 形变差异分析如图十所示,可见无论形变均值和形变分散性,全硬板都比软硬结合板优异。
软硬结合板回流前全硬板回流前
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图 十 全硬板回流前 与 软硬结合板回流前 的双样本T检验和置信区间

4.2 回流后 PCB 形变
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图 十一 全硬板和软件结合板回流后 PCB 形变的数据汇总报告
从图十一可以看到,全硬板平均PCB形变5.27um, 软硬结合板平均PCB形变20.68um。其中全硬板主要形变区间是4.8um~5.6um之间,而软硬结合板主要形变区间是18.21um~23.16um之间,但是也出现了60um和75um的极端偏差情况,这将会导致SMT回流后缺陷。这说明软硬结合板在回流后会急剧加重PCB形变,并且会有部分子板出现极端偏差从而导致SMT回流后缺陷。全硬板与软硬结合板的回流后PCB形变差异分析如图十二所示,软硬结合板回流后PCB形变比全硬板回流后PCB形变严重约15.41um,并且数据更加分散。
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图 十二 全硬板回流后 与 软硬结合板回流后 的双样本T检验和置信区间
4.3 水平方向和竖直方向的 PCB 形变分析
我们用X定义水平方向的PCB形变,Y定义竖直方向的PCB形变,通过X/Y数据分析,可以得到水平方向和竖直方向的PCB形变情况。
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图 十三 全硬板回流前X、Y形变情况
全硬板X回流前形变16.46um,Y回流前形变6.56um, 可见全硬板水平方向是形变比竖直方向大很
多。
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软硬结合板Y回流前形变 的汇总报告
图 十四 软硬结合板回流前X、Y形变情况
软硬结合板X回流前形变35.77um,Y回流前形变17.72um, 可见软硬结合板水平方向是形变比竖直方向大很多。
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图 十五 全硬板回流后X、Y形变情况
全硬板X回流后形变5.28um,Y回流后形变5.26um, 可见全硬板回流后水平方向和竖直方向的形变相当。
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图 十六 软硬结合板回流后X、Y形变情况
软硬结合板X回流后形变21.78um,Y回流后形变19.59um, 可见软硬结合板回流后水平方向和竖直方向的形变相当。
从全硬板和软硬结合板回流前后水平方向和竖直方向的PCB形变来看,水平方向的形变远大于竖直方向的形变(约为2~2.5倍)。回流后却可以减轻这种趋势,实际上是回流使得PCB达到Tg后,PCB达到熔融状态并再次冷却中,内部应力得到释放并重新达到应力平衡,从而减轻了这种形变趋势。
4.4 形变方向分析
使用"+"代表向右/上形变,"-"代表向左/下形变,通过+/-的数据分析PCB形变方向,如图17所示,
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图 十七 形变方向示意图
根据实际数据,炉前全硬板形变方向如图18所示,上半部分是向左下角形变,下半部分是向右上角形变。炉前全硬板形变方向如图19所示,上半部分是向右下角形变,下半部分是向左上角形变。这说明通过高温回流后,由于PCB应力的释放,水平方向的形变完全相反,竖直方向的形变方向不变。
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图 十八 全硬板回流前形变方向示意图
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图 十九 全硬板回流后形变方向示意图
根据实际数据,炉前软硬结合板形变方向如图20所示,可以看到软硬结合板形变规律性更加复杂,要是测试更多是PCB,可以看到更加丰富的形变类型。炉后软硬结合板形变方向如图21所示,炉后与炉前一样,形变方向是各式各样,并且同一PCB,炉前炉后形变方向也是各式各样,没有规律可言,这种状态与软硬结合板复杂的材料,结构和应力正相关的。
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图 二十 炉前软硬结合板形变方向示意图
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图 二十一 炉后软硬结合板形变方向示意图
五、结论与展望
笔者由于一起严重的印刷偏位事故触发了系统研究PCB形变的愿望。通过排查,钢网开口偏差在10um~25um之间,印刷机的偏移可以通过印刷参数和补偿值进行修正,唯独PCB形变最不可控。PCB来料一旦形变,SMT制程很难进行修正,只有PCB供应商出货保证PCB形变在50um以内,才能保证01005/0.4 pitch BGA制程的稳定。软硬结合板在炉前炉后形变,形变方向等各方面均劣于全硬板,所以无论在PCB制造和SMT制程,对于软硬结合板都要提高优先级,进行加严控制,保证产品质量。

来源:电子产品和工程朱夏川
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