回流焊设备在高图形精度PCB流程中的应用.pdf

印制电路信息 2024 No.1图形形成 Pattern Formation回流焊设备在高图形精度PCB流程中的应用傅立红（广东依顿电子科技股份有限公司，广东 中山 528445）摘要印制电路板（PCB）基板在经过高温回流焊后均会发生不同程度的图形精度收缩变化。PCB的图形精度很难满足在装配元件前后管控0.050 mm的标准。通过研究PCB在回流焊高温后图形精度的变化规律，发现PCB的图形精度在第一次回流焊后变化量最大，第二次回流焊后的变化量较小。根据PCB基板的这个特性，在传统的PCB流程中导入回流焊设备，在把PCB交给客户之前，先将PCB在工厂内完成一次过回流焊处理。结果表明，PCB的图形精度在客户端回流焊前后的表现明显得到改善，在装配元件前后图形精度可管控在0.050 mm以内，达到了PCB的要求。关键词回流焊设备；图形精度；图形梯形精度中图分类号：TN41文献标志码：A文章编号：10090096（2024）01000105Application of reflow soldering equipment in the process of printed circuit board with high graphic accuracyFU Lihong(Guangdong Yidun Electronic Technology Co.,Ltd.,Zhongshan 528445,Guangdong,China)AbstractAfter high temperature reflow soldering,the printed circuit board(PCB)substrate will shrink in different degrees,lowering the graphic accuracy.It is difficult to meet the standard of controlling the accuracy within 0.050 mm before and after assembling components.By studying the variation law of graphic accuracy of PCB after reflow soldering at high temperature,it is found that the variation of PCB graphic accuracy is the largest after the first reflow soldering,and the variation after the second reflow soldering is smaller.According to this characteristic of PCB substrate,we introduce reflow soldering equipment in the traditional PCB process,before the PCB is handed over to the customer in the PCB factory.After one reflow soldering,the performance of PCB graphic accuracy before and after the client reflow soldering is obviously improved,the graphic accuracy of PCB before and after the assembly of components is controlled within 0.050 mm,which can meet the requirements.Key wordsreflow soldering equipment;graphic accuracy;trapezoidal accuracy of graphics作者简介：傅立红（1973），男，高级工程师，主要研究方向为PCB流程工艺及流程能力的提升、智能化自动化工厂规划。-1图形形成 Pattern Formation印制电路信息 2024 No.10引言电子产品向精细化方向发展的同时，印制电路板（printed circuit board，PCB）线路宽度越来越精细，PCB上焊接元件器件的连接盘的尺寸越来越小，连接盘与连接盘之间的间距也越来越小。部分客户对Mini LED产品PCB表面连接盘的尺寸宽要求为（0.0800.020）mm，连接盘与连接盘的间隙要求为（0.0750.015）mm。在连接盘设计尺寸要求如此小的情况下，PCB下游客户为了保证元件能精准地焊接在连接盘上，不仅对装配元器件的自动化设备配备了电荷耦合器件（charge coupled device，CCD）自动对位系统，以提升装配设备的对位能力，同时对PCB的图形精度也提出了更高的要求。有些客户要求PCB的图形精度在装配元件前后管控在0.050 mm以内，图形梯形精度要求管控在0.025 mm的水平。为了能满足 PCB 图形精度管控在0.050 mm以内，图形梯形精度管控在0.025 mm 的要求，PCB厂商在PCB的流程制作设备上对影响到图形精度的设备能力也相应地进行了升级，比如：提升沉铜前磨板机的磨刷均匀性；将外层图形转移工序的 LED 曝光机升级为全自动的激光曝光机（laser direct imaging，LDI），避免了曝光照相底片变形对图形精度的影响；在阻焊流程中，升级了全自动的阻焊曝光机或激光曝光机，以提升曝光对位的能力及避免底片变形对图形精度的影响；在外层图形及阻焊的前处理工段，采用中粗化或超粗化药水的前处理生产线，避免了火山灰机械磨刷对板变形的影响。如此一系列设备能力的提升，主要目的是为了减少板形变，另外也可提高转移图形精度。采取以上方法后，PCB的图形精度能力确实有了较大的提升，但是这些措施无法改善PCB基材在客户端高温回流焊中的涨缩变化特性对图形位置精度的影响。当PCB产品交给客户的时候，在客户上线完成第一次板面元件贴装之后却发现在贴二面元件时图形精度已不能满足要求。因此，需要对各类PCB基材在回流焊中的图形精度变化特性进行研究，以找到解决高图形精度PCB制作的管控方法。1回流焊设备回流焊设备是PCB客户端装配元件必不可少的设备。回流焊设备具有稳定的温度控制系统及排风系统，它是一条水平式烤箱，烤箱的温度分区管控，一般在12区左右，温度由低到高，再由高到低。按照设定的温度变化，最高峰值温度达280 左右，温度控制公差在5 K以内，水平传送速度可根据需求调整。回流焊设备的主要作用是对PCB连接盘上印有的锡膏均匀加热，让焊锡在高温下熔化，将元件脚与PCB表面上的连接盘固定在一起，达到焊接元件的目的。回流焊设备温度较高，对PCB基材的可靠性能有较大的破坏性影响，特别是PCB基材耐热性较差的材料存在分层的风险。对于一些镀通孔铜延展性差的PCB，会因为材料在高温下的热膨胀系数（coefficient of thermal expansion，CTE）变化，导致孔铜拉断。此外，由于高温对材料中的树脂进一步固化，PCB基材会发生收缩变化。早期，回流焊设备在PCB工厂内的应用主要是为了模拟PCB基板在下游客户回流焊中对PCB基材的耐热性进行测试及可靠性的评估，也可对PCB 基材在回流焊中的图形精度变化进行研究。本文尝试将回流焊设备导入 PCB的制作流程中，对 PCB基材在高温下的图形精度做一次预处理，以实现高图形精度的PCB产品制作。2影响PCB表面图形精度的因素2.1PCB常规制作流程常规制作流程如图1所示。2.2影响PCB表面图形精度的因素通过二次元设备测量PCB表面光学点之间的距离，通过这些距离值对 PCB 表面图形位置的精度进行判定，即确定PCB表面图形精度。影响PCB表面图形精度的因素可以分为3大类：在传统 PCB 制作流程中，机械磨板导致PCB 基板的机械变形对图形精度的影响；在制作 PCB 表面图形时，图形转移的曝光底片受环境温、湿度及底片使用次数等影响，发生底片变形所引起的图形精度变化；PCB 基材在高温流程中导致基板涨缩变化，引起图形精度变化。-2印制电路信息 2024 No.1图形形成 Pattern Formation2.3PCB制作流程对PCB图形精度有影响的工序分析2.3.1机械磨板对PCB图形精度的影响在 PCB 的制作流程中有金属化孔（plating through hole，PTH）前机械磨板（处理孔口披锋）、外层图形前处理火山灰磨板（增加铜表面粗糙度）、阻焊前处理的火山灰磨板（增加铜表面粗糙度）等机械磨板，对PCB的基板均会产生不同程度的变形影响。在PCB的PTH前机械磨板流程中，对磨板机的磨痕进行了严格的管控，要求磨痕在814 mm，磨痕左中右位置的测量数值极差管控在 1 mm以内。在制作外层线路图形前的PCB经过机械磨板后，板上的孔间距离相应会发生变化。PCB在制作外层图形时通过孔进行对位，需要根据变形的涨缩变化对图形转移的照相底片进行涨缩补偿，才能较精准地完成对位制作。在制作阻焊前的火山灰机械磨板方式对PCB基板也会产生变形的影响，需要调整曝光底片的涨缩补偿才能较好地管控对位精度。当前在外层线路前处理及阻焊前处理，采用中粗化、超粗化等化学处理方式做板，避免了机械磨板对PCB基板的变形影响。事实证明，此方法可以较好地管控PCB基板的机械变形，从而提高图形精度。2.3.2图形转移所用曝光底片变形所引起的图形精度变化传统的外层图形转移及阻焊图形转移使用线路图形曝光底片，通过曝光的方式将图形转移到PCB的基板上。曝光底片受温湿度以及曝光使用次数的影响，往往会发生变形，从而影响转移图形的精度，因此使用曝光底片转移出来的图形会有不同程度的图形精度变化，行业中一般管控在0.050 mm。当前在图形转移中已在大批量地使用激光直接成像的曝光技术，从而彻底解决了因为曝光底片变形导致图形精度变化的问题，极大地提升了PCB图形精度，图形精度可以管控在0.025 mm。2.3.3PCB流程高温导致 PCB基材涨缩变化所引起的图形精度变化在 PCB 的制作流程中有阻焊高温固化流程，其固化温度最高在 155 左右；热风整平焊锡（hot air leveling solder，HALS）的 最 高 温 在280 左右。这2个工序的高温流程对PCB基板的涨缩有一定的影响，PCB基板在高温流程中会发生收缩变化导致图形精度变化。为了解决高温流程对PCB涨缩的影响，行业中采用的方法是在钻孔资料、图形曝光资料、阻焊曝光资料等制作工具上增加涨缩补偿系数，将在高温中发生的图形变化量补偿掉，在完成高温流程之后，PCB的图形精度基本在标准以内。3PCB 在过高温回流焊下的图形精度变化分析在2.3节中分析了PCB各流程中的图形精度的影响因素及行业中采用的解决方法。采用这些措施之后，PCB 工厂可以制作出图形精度较高的PCB。但是在 PCB 的客户端却发现回流焊之后PCB仍然有图形精度超出公差的情况发生，如果不跟进解决，PCB的图形精度同样不能满足在回流焊前后控制在0.050 mm 以内的要求。对 PCB基板在过高回流焊设备后的图形精度变化的分析如下。图1PCB常规制作流程-3图形形成 Pattern Formation印制电路信息 2024 No.13.1PCB图形精度数据收集方法（1）取 4、6、8 层 板 的 成 品 PCB，0.35、1.60 mm 2种不同厚度，用于图形精度数据测试。（2）对每块PCB进行编号，在同一台二次元测量仪器上测量数据。（3）测试板分 3种状态测量数据：过回流焊前、过1次回流焊后、过2次回流焊后。回流焊设置最高温度280。（4）在过回流焊前测量记录数据标示为0次；在回流焊上过第1次，停放4 h后测量数据，记录为1次；在回流焊上过第2次，停放4 h后测量数据，记录为2次。3.2PCB图形精度数据收集测试板情况如下：4 层板，板厚 0.35 mm 和1.60 mm 各 6 块；6 层板板厚 1.60 mm 与 8 层板板厚1.60 mm各6块。每块板分别测量X方向、Y方向，并按回流焊前后测量数值，经汇总后得出平均值见表1。3.3不同 PCB 过回流焊后图形精度数据分析（1）对比2种4层板过回流焊后图形精度的变化量数据，可以看到，0.35 mm 厚的 4 层板相比1.60 mm厚的4层板图形精度数据收缩数值更大，说明层数相同的板，板的厚度越薄，过回流焊之后的图形精度数据收缩越严重。分析此0.35 mm厚的4层板所使用的半固化片（prepreg，PP）是 2116 布种（树脂含量 55%）及106布种（树脂含量75%），PP的树脂含量较高；1.60 mm厚板的4层板所使用的PP均为7628布种（树脂含量45%），PCB基板在高温下收缩，实际上是基板中的树脂在高温下固化收缩的表现，树脂含量越高，其收缩变化就会越明显。采用树脂含量高的PP制作的PCB在高温下图形精度的变化量会更大。（2）对比不同层次PCB过回流焊的图形变化数据，可以看到，层次越高，图形精度收缩量的变化越小。PCB的层次越高，基板内含铜的层次就越多，相同厚度的 PCB 中，含铜层越多的基板，在抗高温涨缩变化方面的表现会更优越。（3）不同层次及不同厚度的 PCB 在经过第 2次回流焊之后，尽管PCB的图形精度数值还会出现收缩的问题，但是在第2次过回流焊之后图形精度变化量的数值已明显比第1次过回流焊的变化量小，并且图形精度的变化量已在期望管控的0.050 mm范围以内。3.4分析总结（1）通过以上对不同板厚、不同层次PCB过回流焊之后测试图形精度的数据进行分析，发现在过1次回流焊后均存在不同程度的图形收缩变化特性，且变化量在0.039 70.143 7 mm之间。这个图形精度变化量如果不做预处理，PCB在经过客户的高温回流焊之后图形精度会超出0.050 mm标准范围。（2）PCB在过回流焊不同次数下，图形精度的收缩变化量主要发生在第1次回流焊后，在第2次回流焊之后图形精度变化量相对减少了许多，变化量在0.050 mm以内。根据PCB的这种特性，在PCB流程中导入回流焊设备对PCB的图形精度进行一次预处理，可以极大地提升高图形精度PCB的制作能力。表1不同PCB在过回流焊后图形精度的数据汇总（平均数据）单位：mm板层次4层板（6块板）4层板（6块板）6层板（6块板）8层板（6块板）板厚0.350.351.601.601.601.601.601.60方向XYXYXYXY0次数据446.909 8454.828 8429.961 5427.694 9251.515 9271.305 4246.025 2270.129 71次数据446.766 1454.713 4429.893 6427.655 2251.459 6271.242 8245.985 4270.089 02次数据446.725 3454.674 7429.868 2427.626 8251.436 0271.221 0245.964 8270.068 301次变化0.143 70.115 50.067 90.039 70.056 30.062 60.039 80.040 812次变化0.040 80.038 60.025 40.028 40.023 60.021 80.020 60.020 7-4印制电路信息 2024 No.1图形形成 Pattern Formation4结论4.1回流焊设备应用风险分析及注意事项（1）回流焊设备是高温设备，最高温度可达到280 左右。此高温对PCB的耐热性存在一定的负面影响，还存在导致阻焊层变色的风险。因此，在应用回流焊设备对PCB进行预处理时，不能无限制地进行，建议做预处理的次数管控在 2次以内。（2）回流焊设备长期使用后，会有挥发物积累，形成油渍样液态物质，导致PCB的板面受到污染。在选购回流焊设备时，要注意与设备商对设备排风的设计及对油渍的处理设计进行沟通。4.2回流焊设备应用时对PCB的涨缩补偿处理方法（1）在确定某一PCB型号需要使用回流焊来对涨缩变化做预处理时，对 PCB进行首件测量，根据其图形精度在回流焊中的变化量数据，计算出变化系数。（2）将图形精度变化的系数（如图形曝光资料、钻孔资料、铣板资料等）添加在相应加工文件中。将回流焊设备规划在外层线路蚀刻流程之后的外层图形检查工序，针对双面板则只需要在钻孔资料及外层图形资料中增加相应的补偿系数即可。CPCA吉安电子电路产业学院精英班开班2023年11月24日，中国电子电路行业协会吉安电子电路产业学院精英班开班仪式在吉安职业技术学院举行。开班仪式上，井冈山经开区党工委委员、管委会副主任陈长虹讲到：“世界上，最温暖人的是阳光，尤其是冬日的暖阳。世界上，最崇高的事业是教育，尤其是职业教育对产业发展至关重要。在今天这个冬日暖阳里，我们迎来了吉安电子电路产业学院精英班的开班！希望同学们记住 发展是第一要务，人才是第一资源，创新是第一动力。吉安引进电子科技大学团队集成电路与通讯传输联合实验室，是推动产业融合发展、营造良好创业、创新和人才发展环境的重要举措。在市委市政府主要领导的亲自部署、市工信局关心支持下，短短5个月，电子科技大学团队以雷霆之势快速联合中国电子电路行业协会、吉安职业技术学院等五大优势力量，推动共建吉安市电子电路产业学院，速度之快效率之高，让我深感敬佩，也充满信心。精英班作为培养高素质专业人才的重要项目，必将对井开区的发展和吉安地区的产业升级起到积极的推动作用。在此，我再次向精英班的每一位同学表示祝贺。精英班不仅是一个学习的场所，更是一个成长的平台，是一片充满机遇和挑战的希望田野，你们在这里接触到顶级的教授、专家、企业家，结识更多志同道合的同学、朋友，希望你们满怀对知识的渴望和探索精神，认真学习，积极进取，充分发挥自己的潜能，培养独立解决问题的能力，实现自己的梦想和人生价值。下一步，我将进一步鼓励学院与中国电子电路行业协会CPCA、成都电子科技大学以及企业深度合作，搭建产学研创新平台；继续加大对产业学院的扶持力度，为精英班学生创造更多的实践基地，切实做好人才培养和服务工作。”CPCA名誉秘书长王龙基对开班表示热烈祝贺，随后做了 习劳-神悦 报告。成都电子科技大学二级教授、CPCA教育培训工作委员会主任何为做了一场题为 全球PCB发展观趋势 报告。会议结束，同学们纷纷与王秘书长、何教授合影留念，王秘书长对每位留下合影的同学每人赠送一本电影 三毛流浪记 连环画册。开班仪式在欢乐声中圆满结束！（沈永华）-5