核心問題:薄板為什么會過爐變形?
回流焊爐是一個高溫環(huán)境,PCB和治具都會受熱膨脹。變形的主要原因是不均勻的熱應力:
材料CTE不匹配:PCB(通常為FR-4,CTE約為14-18 ppm/°CZ軸)和治具材料(例如鋁合金,CTE約為23 ppm/°C)的CTE不同。在加熱和冷卻過程中,它們膨脹和收縮的幅度不一致,產生內應力。
薄板剛性不足:薄板PCB本身的結構剛性較差,無法抵抗這種由CTE不匹配產生的熱應力,從而導致彎曲、扭曲或弓起。
溫度梯度:在爐子的升溫和冷卻區(qū),板子和治具的上下面可能存在溫度差,進一步加劇了變形。
解決方案:CTE匹配的核心思想
CTE匹配的核心思想是:選擇或制造一種其熱膨脹系數與待焊接PCB盡可能接近的治具材料。這樣,在整個回流焊 thermal cycle(熱循環(huán))中,治具和PCB以幾乎相同的速率膨脹和收縮,從而限度地減少兩者之間的應力,使PCB能夠保持平整。
如何具體實施CTE匹配?1. 治具材料的選擇(關鍵的一步)
這是實現CTE匹配直接有效的方法。常見的治具材料及其CTE對比如下:
材料類型具體示例近似CTE (ppm/°C)優(yōu)點缺點適用性傳統材料鋁合金(6061)23.6成本低、重量輕、易加工、強度高CTE與PCB差異大,易導致薄板變形對變形不敏感的中厚板合成石勞士領(Rogers)系列12-15CTE與FR-4 PCB非常匹配、隔熱性好、防靜電成本較高、脆性大、不耐撞擊解決薄板變形的經典方案復合材料碳纖維復合材料2-6 (甚至為負值)CTE極低、強度、重量輕成本非常昂貴、加工難度大超高端領域,如軍工、航天因瓦合金Invar 36~1.6CTE極低,幾乎不膨脹成本、重量非常大特殊極端情況,如超大超薄基板
結論:對于解決薄板變形問題,合成石(Synthetic Stone)是目前業(yè)界主流和經濟實用的選擇。其CTE與FR-4 PCB極為接近,能有效抑制變形。
2. 治具的結構設計優(yōu)化
即使材料選對了,設計不佳的治具同樣可能引起問題。
支撐設計:
均勻支撐:治具對PCB的支撐點必須均勻分布,避免局部懸空或支撐不足。特別是對于大型BGA、連接器等較重元件下方,要有足夠的支撐。
真空吸附設計:對于要求的薄板(如0.6mm以下),可以在合成石治具上開設真空槽和氣孔,通過負壓將PCB牢牢吸附在治具平面上,這是防止變形的強力手段。
治具厚度:治具需要具備足夠的剛性和厚度(通常建議至少4-5mm)來抵抗自身在高溫下的形變。如果治具自己都彎了,那一切都無從談起。
開口設計:治具用于印刷、貼片和回流的開口要盡可能小,在保證工藝要求的前提下,留足支撐邊,化治具對PCB的支撐面積。