解决PCB变形弯曲问题的步骤和技巧
硬件十万个为什么','硬件十万个为什么 2024-06-06

至于为什么有些板子的翘曲程度不同?

PCB(Printed Circuit Board,印刷电路板)变形和弯曲的原因可能有多种,以下是一些常见的原因:

1、PCB板面积太大

大面积的PCB可能在机械稳定性方面不如小面积的PCB。板面积增大会增加PCB板自身的挠度和弯曲风险,尤其是在受到外部机械应力时。

大面积的PCB在热膨胀方面可能会更为敏感。当PCB板受热时,材料会膨胀,而当温度降低时则会收缩。如果PCB板上的元件布局不合理或者PCB板本身的材料不均匀,这种膨胀和收缩会导致板材弯曲或扭曲。

大面积的PCB可能更难进行加工和装配。在制造过程中,大面积的PCB需要更多的材料,更大的生产设备和更复杂的加工工艺。在装配时,大面积的PCB也更容易受到外部应力的影响,导致装配困难和变形。

措施:在结构设计和布局允许的情况下尽量减小PCB面积

2、板子太薄

许多电子的产品为了达到更轻薄的目的,板子的厚度已经剩下1.0mm、0.8mm,甚至做到了0.6mm的厚度,这样的厚度要保持板子在经过回焊炉不变形。

措施:如果没有轻薄的要求,板子最好可以使用1.6mm的厚度,可以大大降低PCB板翘曲及变形的风险。

3、剧烈温度变化

PCB材料可能会因温度的变化而膨胀或收缩,导致板材弯曲或扭曲。特别是在热循环或急剧的温度变化下,这种效应可能会更加显著。

热膨胀和收缩:PCB材料在受热时会膨胀,在降温时会收缩。剧烈的温度变化会引起PCB板材料的瞬时膨胀或收缩,导致板材产生应力。这种应力可能会导致PCB板变形或扭曲,尤其是在温度变化频繁或范围较大的环境中。

热应力剧烈的温度变化会导致PCB板上的材料发生热应力,特别是当板上的材料的热膨胀系数不同或者板材厚度不均匀时。这种热应力可能导致板材的弯曲或翘曲,甚至会损坏PCB板上的元件或连接。

界面效应:PCB板上不同材料的界面处可能因为热膨胀系数不同而产生应力集中,导致界面附近的板材变形或断裂。

附加应力:剧烈的温度变化可能增加PCB板受到的机械应力,尤其是在板材与外部结构或支架连接时。这种附加应力可能会加剧PCB板的变形。

措施:既然【温度】是板子应力的主要来源,所以只要降低回焊炉的温度或是调慢板子在回焊炉中升温及冷却的速度,就可以大大地降低PCB板翘曲的情形发生。不过可能会有其他副作用发生,比如说焊锡短路。

4、 布局布线设计问题

PCB设计不当,例如在板材布局、元件分布等方面考虑不足,可能会导致板材局部应力集中,从而引起弯曲。当PCB上的元件布局不合理时,可能导致板材上的受力分布不均匀。如果某些区域集中了大量的元件或者元件分布不平衡,这些区域可能承受较大的机械应力,导致局部应力集中。

电路板上的铺铜面面积不均匀,会恶化PCB板翘曲。

一般电路板上都会设计有大面积的铜箔来当作接地之用,有时候Vcc层也会设计有大面积的铜箔,当这些大面积的铜箔不能均匀地分布在同一片电路板上的时候,就会造成吸热与散热速度不均匀的问题,电路板当然也会热胀冷缩,如果涨缩不能同时就会造成不同的应力而变形,这时候板子的温度如果已经达到了Tg值的上限,板子就会开始软化,造成永久的变形。

措施:均匀布局、均匀铺铜

5、电路板上各层的过孔(vias)会限制板子涨缩

如果PCB板上的孔洞设计不当,如孔洞位置过于靠近边缘或者孔径过大,可能会削弱板材的结构稳定性,导致局部应力集中。

现今的电路板大多为多层板,而且层与层之间会有像铆钉一样的过孔(via),过孔又分为通孔、盲孔与埋孔,有过孔的地方会限制板子冷涨缩的效果,也会间接造成PCB板翘曲。

措施:避免大面积密集过孔,避免孔径过大,用多个小孔解决大通流的需求。

6、电路板本身的重量会造成板子翘曲变形

在PCB设计中,如果没有考虑到板材的机械支撑问题,可能会导致板材在受力时局部挠度较大,从而引起应力集中。

一般回流焊的炉子都会使用链条来带动电路板向前传递,也就是以板子的两边当支点撑起整片板子,如果板子上面有过重的零件,或是板子的尺寸过大,就会因为本身的重量而呈现出中间凹陷的现象,造成翘曲。


7、V-Cut的深浅及连接条会影响拼板变形量

V-Cut(V型切割)是一种在PCB(Printed Circuit Board,印刷电路板)制造过程中常用的切割方法。它通常用于将一块大的PCB板分割成多个较小的板块,以便于后续的组装或者使用。

V-Cut的工艺过程是通过一条特殊设计的刀具或者切割工具,以V型的形状切割PCB板的表面。这条切割线通常位于PCB板上下两侧之间,形成了一个V形的槽。通过在这个V形槽中进行切割,可以相对容易地将PCB板切割成所需的尺寸。

基本上V-Cut就是破坏板子结构的元凶,因为V-Cut就是在原来一大张的板材上切出V型沟槽来,所以V-Cut的地方就容易发生变形。

措施:优化拼板设计,或者优化工艺边设计,减小V-Cut长度。

8、焊接问题

如果焊接过程中,焊料分布不均匀或焊接温度不合适,会导致PCB上的元件与底板之间产生应力,进而引起弯曲。


措施:需要优化炉温或者锡膏工艺,使用过炉托盘治

如果上述方法都很难做到,最后就是使用过炉托盘 (回流焊 carrier/template) 来降低电路板的变形量了,过炉托盘治具可以降低PCB板翘曲的原理是因为治具材质一般会选用铝合金或合成石具有耐高温的特性,所以电路板经过回焊炉的高温热胀与之后冷却下来的冷缩,托盘都可以起到稳住电路板的功能,等到电路板的温度低于Tg值开始恢复变硬后,还可以维持住原来的尺寸。

如果单层的托盘治具还无法降低电路板的变形量,就必须再加一层盖子,把电路板用上下两层托盘夹起来,这样就可以大大降低电路板过回焊炉变形的问题了。不过这过炉托盘挺贵的,而且还得加人工来置放与回收托盘。


9、材料问题

PCB设计中选用的材料可能会对板材的机械性能产生影响。如果选择的材料强度不足或者弹性模量不匹配,可能会导致局部应力集中。PCB制造过程中使用的材料质量不良或者不均匀,例如玻璃纤维布、铜箔等材料的厚度或质量不一致,可能导致PCB板的弯曲。


措施:采用高Tg的板材

Tg是玻璃转换温度,也就是材料由玻璃态转变成橡胶态的温度,Tg值越低的材料,表示其板子进入回焊炉后开始变软的速度越快,而且变成柔软橡胶态的时间也会变长,板子的变形量当然就会越严重。采用较高Tg的板材就可以增加其承受应力变形的能力,但是相对的材料的价钱也比较高。




10、装配问题

在装配或使用过程中,外部施加的机械应力(例如弯曲、扭曲、挤压等)可能会导致PCB板的变形。


措施:优化装配工艺


11、环境恶劣

PCB暴露在潮湿、腐蚀性气体等环境中,可能会导致板材的吸湿膨胀或腐蚀,从而引起变形。


措施:三防设计、灌胶设计


12、拼板面积太大

既然大部分的回焊炉都采用链条来带动电路板前进,尺寸越大的电路板会因为其自身的重量,在回焊炉中凹陷变形,所以尽量把电路板的长边当成板边放在回焊炉的链条上,就可以降低电路板本身重量所造成的凹陷变形,把拼板数量降低也是基于这个理由,也就是说过炉的时候,尽量用窄边垂直过炉方向,可以达到最低的凹陷变形量。

措施:合理选择拼板面积和拼板数量


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