一、核心問題:薄板為何會過爐變形?
回流焊爐是一個高溫環(huán)境,PCB板和各物料(芯片、電容、電阻等)都會受熱膨脹,冷卻時則會收縮。變形的主要原因如下:
CTE不匹配:PCB板本身的CTE(通常為14-18 ppm/°C)與組裝元器件的CTE(例如陶瓷芯片元件的CTE約為6-8 ppm/°C)差異巨大。在加熱和冷卻過程中,不同的膨脹/收縮率會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。
不對稱結(jié)構(gòu):薄板本身剛性差,如果板面銅箔分布不均勻(一側(cè)有大面積銅皮或電源層,另一側(cè)沒有),或者元器件重量分布不均(一面有大型BGA,另一面只有小電阻),都會導(dǎo)致兩側(cè)熱容量和膨脹率不同,從而加劇變形。
溫度不均勻:爐膛內(nèi)的溫度場不可能均勻,板子不同區(qū)域升溫/降溫速度不同,也會導(dǎo)致熱應(yīng)力不均而變形。
嚴(yán)重的變形會導(dǎo)致:
焊接缺陷:立碑、虛焊、連錫。
機(jī)械應(yīng)力:損壞元器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)或焊點(diǎn)。
組裝困難:變形后的板子無法順利安裝到機(jī)殼中。
后續(xù)工序失敗:無法進(jìn)行二次回流焊或波峰焊。
二、解決方案:CTE匹配治具的工作原理
SMT治具(通常由合成石或復(fù)合材料制成)的核心作用是在回流焊過程中約束、支撐和引導(dǎo)PCB板的膨脹與收縮,使其變形量控制在可接受范圍內(nèi)。
CTE匹配是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵:
理想狀態(tài):治具CTE ≈ PCB的CTE
如果治具的CTE與PCB板非常接近,那么在加熱過程中,治具和PCB會以幾乎相同的速率膨脹。
在冷卻過程中,兩者也會以幾乎相同的速率收縮。
結(jié)果:治具和PCB“同步”變形,治具對PCB的約束力是溫和且一致的,不會產(chǎn)生額外的剪切應(yīng)力。PCB板的變形被治具的剛性所抑制,從而保持平整。
不匹配的后果:
治具CTE << PCB CTE(治具膨脹得太慢):治具會過度限制PCB的膨脹,在升溫階段PCB會被治具壓迫,產(chǎn)生擠壓應(yīng)力,可能導(dǎo)致中間拱起。
治具CTE >> PCB CTE(治具膨脹得太快):治具會比PCB膨脹得更多,在升溫階段會拉扯PCB,產(chǎn)生拉伸應(yīng)力,可能導(dǎo)致板邊翹曲。
在冷卻階段,相反的不匹配也會產(chǎn)生類似的應(yīng)力問題。
因此,選擇與PCB板CTE相匹配的治具材料,是確保治具起到正面作用而非反面作用的基礎(chǔ)。
三、如何具體實(shí)施CTE匹配治具方案1. 治具材料選擇合成石(如FR-4/BT環(huán)氧樹脂基材料):
優(yōu)點(diǎn):CTE與PCB板非常接近(通常在14-16 ppm/°C),是實(shí)現(xiàn)CTE匹配的選擇。同時具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性(可耐270°C以上)、低Z軸膨脹率和良好的機(jī)械強(qiáng)度。
適用場景:高精度、高可靠性的產(chǎn)品,如通信設(shè)備、服務(wù)器主板、汽車電子等。這是解決薄板變形的方案。
鋁合金:
優(yōu)點(diǎn):成本低、強(qiáng)度高、導(dǎo)熱快(有助于溫度均勻)。
缺點(diǎn):CTE很高(約23 ppm/°C),與PCB嚴(yán)重不匹配。如果直接用于支撐薄板,在過爐時會因?yàn)檫^度膨脹而“撬動”PCB,反而加劇變形。
適用場景:通常用于支撐結(jié)構(gòu)厚重、本身不易變形的厚板,或僅用于承載、定位而非抑制變形的場合。如果必須使用鋁材,需要在治具設(shè)計上做特殊處理(見下文)。
酚醛樹脂板: