核心问题:薄板为什么会过炉变形?
回流焊炉是一个高温环境,PCB和治具都会受热膨胀。变形的主要原因是不均匀的热应力:
材料CTE不匹配:PCB(通常为FR-4,CTE约为14-18 ppm/°CZ轴)和治具材料(例如铝合金,CTE约为23 ppm/°C)的CTE不同。在加热和冷却过程中,它们膨胀和收缩的幅度不一致,产生内应力。
薄板刚性不足:薄板PCB本身的结构刚性较差,无法抵抗这种由CTE不匹配产生的热应力,从而导致弯曲、扭曲或弓起。
温度梯度:在炉子的升温和冷却区,板子和治具的上下面可能存在温度差,进一步加剧了变形。
解决方案:CTE匹配的核心思想
CTE匹配的核心思想是:选择或制造一种其热膨胀系数与待焊接PCB尽可能接近的治具材料。这样,在整个回流焊 thermal cycle(热循环)中,治具和PCB以几乎相同的速率膨胀和收缩,从而限度地减少两者之间的应力,使PCB能够保持平整。
如何具体实施CTE匹配?1. 治具材料的选择(关键的一步)
这是实现CTE匹配直接有效的方法。常见的治具材料及其CTE对比如下:
材料类型具体示例近似CTE (ppm/°C)优点缺点适用性传统材料铝合金(6061)23.6成本低、重量轻、易加工、强度高CTE与PCB差异大,易导致薄板变形对变形不敏感的中厚板合成石劳士领(Rogers)系列12-15CTE与FR-4 PCB非常匹配、隔热性好、防静电成本较高、脆性大、不耐撞击解决薄板变形的经典方案复合材料碳纤维复合材料2-6 (甚至为负值)CTE极低、强度、重量轻成本非常昂贵、加工难度大超高端领域,如军工、航天因瓦合金Invar 36~1.6CTE极低,几乎不膨胀成本、重量非常大特殊极端情况,如超大超薄基板
结论:对于解决薄板变形问题,合成石(Synthetic Stone)是目前业界主流和经济实用的选择。其CTE与FR-4 PCB极为接近,能有效抑制变形。
2. 治具的结构设计优化
即使材料选对了,设计不佳的治具同样可能引起问题。
支撑设计:
均匀支撑:治具对PCB的支撑点必须均匀分布,避免局部悬空或支撑不足。特别是对于大型BGA、连接器等较重元件下方,要有足够的支撑。
真空吸附设计:对于要求的薄板(如0.6mm以下),可以在合成石治具上开设真空槽和气孔,通过负压将PCB牢牢吸附在治具平面上,这是防止变形的强力手段。
治具厚度:治具需要具备足够的刚性和厚度(通常建议至少4-5mm)来抵抗自身在高温下的形变。如果治具自己都弯了,那一切都无从谈起。
开口设计:治具用于印刷、贴片和回流的开口要尽可能小,在保证工艺要求的前提下,留足支撑边,化治具对PCB的支撑面积。