手机板PCBA过程中翘曲的对策研究

HKPCAJournalNo.131/121手機板PCBA過程中翹曲的對策研究東莞生益電子有限公司工藝部趙鵬何丹照摘要：本文主要針對客戶的手持PCB產品在PCBA過程中遇到的異常翹曲問題，從PCB製作的角度出發，通過對其流程設計及控制、工藝參數、生產控制等方面的分析，找出PCBA線上翹曲的主要影響因素，優化PCB的設計及生產控制，達到讓客戶滿意的目標。關鍵字：PCBA翹曲排版設計工藝參數生產控制定位孔距一前言隨著手持電子產品的輕、薄、短、小的發展方向，對PCB的製造提出了更高的要求。電子元件的高度集成化意味著PCB技術的“密、薄、平”的發展方向，“密、薄”反映了PCB高度集成的要求；“平”則反映了電子產品組裝由DIP走向SMT乃至CSP的必然發展需要。只有保證PCB在PCBA過程中有很高的平整度，才能保證SMD引腳（或I/O）與板面連接盤焊接，即保證SMT過程中（網印焊膏、貼片、焊接）的質量。在實際生產中，因手持產品類PCB板“輕、薄”的特點，即使是平整的PCB手機產品（翹曲度≤0.3%），在客戶PCBA過程中，由於Fixture配合、過波峰焊、再流焊的高溫問題，也會出現異常的翹曲現象，導致無法貼片，或者影響焊接質量。作為PCB製造廠家，就必須應客戶之所需，從PCB製作的角度，通過對流程設計、排版設計、生產參數及控制的優化及研究，解決手持產品在PCBA過程中，由於PCB不平整造成的貼片、焊接不良問題。二PCBA過程中可能發生的翹曲類型及定義平整的手機板（翹曲度≤0.3%），在PCBA過程中，出現異常的翹曲主要有以下兩個方面的原因造成：1、PCB板的定位孔的距離與客戶Fixture不匹配，表現為定位孔距過大，則PCB板上Fixture後，板中心向上拱曲；定位孔距過小，則根本無法上Fixture，致使無法正常貼片。此類翹曲大多因為客戶的Fixture定位距離公差已經定型，而又在Folder資料中未注明此定位孔距公差。因此，由於定位孔的加工工藝的不同，會對定位孔距的偏差帶來很大的影響，造成與客戶Fixture不匹配。此類翹曲狀況定義為——PCBA裝配翹曲。（見圖一）圖一——Fixture——PCB板——翘曲状态HKPCAJournalNo.132/1222、在PCBA再流焊過程中，由於貼裝溫度高於PCB的Tg溫度，PCB的剛度會在受到高溫的過程中而降低；同時，由於客戶的Fixture設計和貼裝方式的不同（單面貼裝），在貼裝第一面的再流焊過程中，板中單元處於懸空狀態，導致焊接過程中，元器件及PCB自身重力的影響，造成單元中部因PCB剛性下降及重力作用而產生單元內向下拱曲；致使無法進行第二面的正常貼裝、焊接。此類翹曲定義為——PCBA貼裝翹曲。（見圖二）三從PCB製造角度，分析影響手機板PCBA中翹曲的因素既然客戶在PCBA過程中遇到這樣的問題，作為PCB製造商，怎樣從PCB設計、製造的角度解決客戶的難題呢？在PCB的設計、製造過程中，哪些因素會直接導致PCBA裝配翹曲及PCBA貼裝翹曲呢？1、PCBA裝配翹曲原因分析由於手機板的表面處理大多採用沉金工藝，PCBA定位孔為NPTH孔，為防止NPTH孔有金問題，PCBA定位孔在我司常採用二鑽加工工藝，即：在一鑽過程中先進行PCBA定位孔的導向孔製作，沉金後進行二鑽，鑽出需要得PCBA定位孔孔徑。由於一鑽、二鑽在加工流程、板結構上的差異，在孔位精度方面會有一些差異，從而影響到定位孔距的的精度，進而導致PCBA裝配翹曲。2、PCBA貼裝翹曲影響因素探討PCBA貼裝翹曲主要受PCB剛性即PCB抗彎強度的影響，而PCB抗彎強度與原材料特性、內外層圖形設計、壓板參數及排版設計等均有直接的關係，原材料特性主要取決於供應商，內、外層圖形設計由客戶的原始設計決定，而排版設計一般由客戶與我們PCB廠商共同決定，留與我們的空間較大，在此我們將對抗彎強度與壓板參數及排版結構的關係做深入的研究。四試驗評估上文講述了PCB設計、PCB加工過程中對手機板PCBA翹曲的影響因素，本部分從試驗的角度去驗證、評估各影響因素。——Fixture——PCB板——贴装芯片——翘曲状态圖二HKPCAJournalNo.133/1231.PCBA定位孔鑽孔方式對裝配翹曲的影響1.1試驗方法本部分通過選定一生產型號手機板，通過對測試板的可追溯性編號（見圖三），跟蹤其在PCB制程中對孔位精度有較大影響的關鍵點進行取樣分析，經過對PCBA的定位孔距在不同環節的尺寸變化，評估一鑽、二鑽的PCBA定位差別。1.1.1通過對一鑽後、磨板後、二鑽前、二鑽後的PCBA定位孔距進行測量，跟進分析定位孔距的變化趨勢以及偏差值δ；1.1.2通過跟進二鑽前、二鑽後PCBA孔距值與標準值的偏差值δ及其分佈，分析分別採用一鑽或二鑽工藝加工時，PCBA定位孔距的差異狀況。1.2試驗流程正常流程→一鑽→（測量1）→磨板→（測量2）→正常流程→二鑽前→（測量3）→二鑽→（測量4）（注：以上各流程，必須保證測試板的可追溯性，且保證測試板的加工條件一致性。）1.3試驗設備：恩德讀孔機（精度±5um）1.4試驗結果1.4.1試驗資料偏差δ1（mm）IS-DR偏差δ2（mm）2DR前-IS偏差δ3（mm）2DR後-2DR前偏差δ4（mm）2DR前-標準值偏差δ5（mm）2DR後-標準值試板編號樣本個數maxminavgmaxminavgmaxminavgmaxminavgmaxminavg01320.036-0.0010.0220.009-0.036-0.0250.04-0.0120.0120.008-0.026-0.010.028-0.0210.00202320.0440.0170.0230.009-0.049-0.0260.046-0.0220.0090.011-0.027-0.0050.048-0.0250.00403320.0450.0170.0250.013-0.047-0.0260.052-0.030.0090.022-0.035-0.0090.037-0.042004320.0470.0140.0250.012-0.042-0.0270.032-0.0030.0110.003-0.029-0.0100.028-0.0180.00105320.0390.0160.024-0.01-0.051-0.0270.037-0.0070.0120.02-0.024-0.0090.035-0.0180.00306320.0370.0140.024-0.02-0.054-0.030.021-0.0220.0050.009-0.038-0.0120.008-0.031-0.00607320.0480.0160.0250.017-0.044-0.0280.055-0.0230.0120.008-0.043-0.0130.037-0.037-0.00108320.0510.0170.0260.014-0.047-0.0300.05-0.0250.0080.013-0.033-0.010.038-0.043-0.00209320.0560.0140.0230.006-0.029-0.0190.051-0.0490.0020.022-0.023-0.0040.036-0.038-0.00210320.0370.0140.0230.01-0.054-0.0240.055-0.0280.0120.019-0.035-0.0090.043-0.0340.003合計3200.056-0.0010.0210.013-0.054-0.0260.055-0.0490.0070.022-0.043-0.0090.048-0.04301.4.2PCBA定位孔距的變化分析(1)δ1=磨板後孔距—一鑽後孔距75318642圖三HKPCAJournalNo.134/124Column1.00.01.02.03.04.05.06Quantilesmaximumquartilemedianquartileminimum100.0%99.5%97.5%90.0%75.0%50.0%25.0%10.0%2.5%0.5%0.0%0.056000.052970.044000.034000.027000.021000.019000.017100.016000.00807-0.001MomentsMeanStdDevStdErrorMeanUpper95%MeanLower95%MeanNSumWeights0.02390.00710.00040.02470.0231320.0000320.0000分析資料可知，磨板後測試板整體拉長，定位孔距平均拉長0.0239mm，變化範圍為-0.001—0.056mm；磨板使定位孔距有拉伸趨勢。(2)δ2=二鑽前孔距—磨板後孔距Column2-0.05-0.04-0.03-0.02-0.01.00.01Quantilesmaximumquartilemedianquartileminimum100.0%99.5%97.5%90.0%75.0%50.0%25.0%10.0%2.5%0.5%0.0%0.013000.01118-0.009-0.015-0.021-0.026-0.031-0.0379-0.047-0.054-0.054MomentsMeanStdDevStdErrorMeanUpper95%MeanLower95%MeanNSumWeights-0.02610.00950.0005-0.0250-0.0271320.0000320.0000從磨板後到二鑽前，磨板後測試板整體縮短；定位孔距平均縮短0.0261mm，變化範圍為-0.054—0.013mm；可見經過PTH、PP以及流程中數次烘板後，定位孔距呈現縮短趨勢。(3)δ3=二鑽後孔距—二鑽前孔距Column3-0.05-0.03-0.01.01.02.03.04.05.06Quantilesmaximumquartilemedianquartileminimum100.0%99.5%97.5%90.0%75.0%50.0%25.0%10.0%2.5%0.5%0.0%0.055000.055000.049970.036000.017000.00700-0.002-0.0109-0.025-0.0417-0.049MomentsMeanStdDevStdErrorMeanUpper95%MeanLower95%MeanNSumWeights0.00920.01800.00100.01120.0073320.0000320.0000二鑽後，定位孔距變化平均值為0.0092mm，但這並不能說明孔距沒有變化；從偏差分佈圖及偏差變化範圍-0.049—0.055mm可以看出，δ3的分散性較大。說明二鑽後，定位孔距的整體變化較大，這可能與二鑽板的疊板數以及板結構的變化有關。1.4.3二鑽前、二鑽後孔距值與標準值的偏差δ分析（為便於分析偏差δ的分佈狀況，HKPCAJournalNo.135/125設定LCL=-0.025mm、UCL=0.025mm、SpecTarget=0）(1)二鑽前孔距值與標準值的偏差δ4分析Column1-0.04-0.03-0.02-0.010.000.010.02.01.05.10.25.50.75.90.95.99-3-2-10123NormalQuantileKernelStd0.003151Quantilesmaximumquartilemedianquartileminimum100.0%99.5%97.5%90.0%75.0%50.0%25.0%10.0%2.5%0.5%0.0%0.022000.022000.012950.00400-0.002-0.009-0.0168-0.023-0.033-0.04-0.043MomentsMeanStdDevStdErrorMeanUpper95%MeanLower95%MeanNSumWeights-0.00910.01110.0006-0.