一、核心问题:薄板为何会过炉变形?
回流焊炉是一个高温环境,PCB板和各物料(芯片、电容、电阻等)都会受热膨胀,冷却时则会收缩。变形的主要原因如下:
CTE不匹配:PCB板本身的CTE(通常为14-18 ppm/°C)与组装元器件的CTE(例如陶瓷芯片元件的CTE约为6-8 ppm/°C)差异巨大。在加热和冷却过程中,不同的膨胀/收缩率会产生内应力。
不对称结构:薄板本身刚性差,如果板面铜箔分布不均匀(一侧有大面积铜皮或电源层,另一侧没有),或者元器件重量分布不均(一面有大型BGA,另一面只有小电阻),都会导致两侧热容量和膨胀率不同,从而加剧变形。
温度不均匀:炉膛内的温度场不可能均匀,板子不同区域升温/降温速度不同,也会导致热应力不均而变形。
严重的变形会导致:
焊接缺陷:立碑、虚焊、连锡。
机械应力:损坏元器件内部结构或焊点。
组装困难:变形后的板子无法顺利安装到机壳中。
后续工序失败:无法进行二次回流焊或波峰焊。
二、解决方案:CTE匹配治具的工作原理
SMT治具(通常由合成石或复合材料制成)的核心作用是在回流焊过程中约束、支撑和引导PCB板的膨胀与收缩,使其变形量控制在可接受范围内。
CTE匹配是实现这一目标的关键:
理想状态:治具CTE ≈ PCB的CTE
如果治具的CTE与PCB板非常接近,那么在加热过程中,治具和PCB会以几乎相同的速率膨胀。
在冷却过程中,两者也会以几乎相同的速率收缩。
结果:治具和PCB“同步”变形,治具对PCB的约束力是温和且一致的,不会产生额外的剪切应力。PCB板的变形被治具的刚性所抑制,从而保持平整。
不匹配的后果:
治具CTE << PCB CTE(治具膨胀得太慢):治具会过度限制PCB的膨胀,在升温阶段PCB会被治具压迫,产生挤压应力,可能导致中间拱起。
治具CTE >> PCB CTE(治具膨胀得太快):治具会比PCB膨胀得更多,在升温阶段会拉扯PCB,产生拉伸应力,可能导致板边翘曲。
在冷却阶段,相反的不匹配也会产生类似的应力问题。
因此,选择与PCB板CTE相匹配的治具材料,是确保治具起到正面作用而非反面作用的基础。
三、如何具体实施CTE匹配治具方案1. 治具材料选择合成石(如FR-4/BT环氧树脂基材料):
优点:CTE与PCB板非常接近(通常在14-16 ppm/°C),是实现CTE匹配的选择。同时具有优异的高温稳定性(可耐270°C以上)、低Z轴膨胀率和良好的机械强度。
适用场景:高精度、高可靠性的产品,如通信设备、服务器主板、汽车电子等。这是解决薄板变形的方案。
铝合金:
优点:成本低、强度高、导热快(有助于温度均匀)。
缺点:CTE很高(约23 ppm/°C),与PCB严重不匹配。如果直接用于支撑薄板,在过炉时会因为过度膨胀而“撬动”PCB,反而加剧变形。
适用场景:通常用于支撑结构厚重、本身不易变形的厚板,或仅用于承载、定位而非抑制变形的场合。如果必须使用铝材,需要在治具设计上做特殊处理(见下文)。
酚醛树脂板: