PCB の反りとは何か、そしてそれを解決する方法
SMT コンポーネントを正確に配置するには、PCB が完全に平らでなければなりません。配置マシンは、すべてのコンポーネントについて、SMT コンポーネントを PCB 上の同じ高さにリリースする必要があります。
PCB が反っていたり不均一だったりすると、機械は基板上に部品を配置する際に一定の高さを維持できず、特にピッチの細かい部品の配置精度に影響します。
さらに、平坦な PCB は、リフロー中に SMT コンポーネントを所定の位置に維持するのに役立ちます。リフロー炉内の高温によって PCB の平坦度が変化すると、溶融はんだに浮いた SMT コンポーネントがずれ、はんだブリッジや回路の断線につながる可能性があります。
1. PCB の反りとは何ですか?
PCB は通常、グラスファイバーやその他の複合材料で作られており、ほとんどの PCB は単層で非常にシンプルです。PCB の反りとは、PCB の形状の変化を指します。下の図は、PCB の明らかな反りを示しています。
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2. PCB の反りの基準は何ですか?
IPS 規格によれば、SMT 配置用の PCB の反り (WD) は 0.75% 以下である必要があります。つまり、WD が 0.75% を超える場合は、反りまたは不良とみなされます。
実際には、コンポーネントなしでプラグインするだけでよい PCB の場合、平坦性の要件は低く、WD 標準は 1.5% 以下になります。
もちろん、より高い顧客の要求を満たすために、Greatpcb はより厳しい基準を追求することができ、一部の WD 基準では 0.5% 以下、さらには 0.3% 以下が要求されます。
3. PCB反り計算式
反りとは、その言葉が示すように、PCB が平らであるかどうか、またボードの穴や表面実装パッドに完全に収まるかどうかを指します。
反りとは、通常、プラスチック部品の表面が設計どおりに変形しないことを指します。反りには多くの要因が影響するため、製造時には注意が必要です。結局のところ、小さなエラーでも回路基板全体が廃棄される可能性があります。では、PCB の反りはどのように計算されるのでしょうか。
PCB反り計算式：
Warping = Single-angle warping height / (PCB diagonal length * 2) * 100%
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自動挿入では、PCB が平らでない場合、位置ずれが発生し、自動挿入機が動かなくなることもあります。部品のはんだ付け後に基板が曲がると、部品のリード線をきれいに切断することが非常に難しくなり、最終的には PCB がシャーシまたは機械のソケットに収まらなくなり、事実上回路基板が廃棄されることになります。製造業者にとって、PCB の反りは、主に経済的損失のため、特に苦痛です。
4. PCBの反りの原因
PCBの反りの原因
基板自体の重さにより変形や反りが生じる場合があります。
通常、リフロー炉はチェーンを使用して基板全体を両側から支えながら基板を前方に移動します。基板に重いものが載っていたり、基板が大きすぎる場合は、基板の重さにより基板の中央がたわんで基板が曲がってしまうことがあります。
V カットの深さが深すぎると、V カット領域に反りが生じる可能性があります。
V カットは基板の構造的損傷の主な原因です。V カットは元の大きなシートにスロットを作成し、反りが発生しやすくなります。基板の反りに対する材料、構造、パターンの影響: PCB は、コア ボード、プリプレグ、外側の銅箔からプレスされます。コア ボードと銅箔が一緒にプレスされると、熱により変形する可能性があります。反りの量は、2 つの材料の熱膨張係数 (CTE) によって異なります。
- 銅箔のCTEは約17×10^-6です。
- 標準 FR-4 基板の場合、Tg ポイントでの Z 方向の CTE は (50-70)×10^-6 です。Tg ポイントを超えると (250-350)×10^-6 になります。ガラス布が存在するため、X 方向の CTE は一般に銅箔の CTE に近くなります。
PCB処理中に発生する反り
PCB 処理の反りの原因は複雑で、熱応力と機械的応力に分けられます。熱応力は主にプレス工程で発生し、機械的応力は基板の積み重ね、取り扱い、焼成時に発生します。
銅張基板加工時に発生する反り。
銅張り基板は両面対称構造で、パターンはありません。銅箔とガラスクロスの熱膨張係数はほぼ同じであるため、プレス中に熱膨張係数の違いによって生じる反りは最小限に抑えられます。ただし、銅張り基板プレス機は大型であるため、加熱プレート間の温度差により、樹脂の硬化速度と硬化度合いが領域ごとに異なる可能性があります。さらに、加熱速度が異なると、動粘度に大きな差が生じ、局所的な応力が生じる可能性があります。この応力は、プレス後には通常バランスが取れますが、その後の処理中に徐々に解放され、変形する可能性があります。
PCBプレス時に発生する反り。
PCB プレス プロセスは、熱応力の主な原因です。銅張り基板のプレスと同様に、硬化プロセスの変動により局所的な応力が発生します。基板が厚くなり、パターン分布が多様になり、プリプレグが増えると、銅張り基板に比べて熱応力を排除するのが難しくなります。PCB 基板の応力は、その後の穴あけ、成形、またはベーキング プロセス中に解放され、基板の変形につながります。
ソルダーマスクとシルクスクリーンの硬化中に発生する反り。
硬化中は、はんだマスクインクが互いに積み重なることができないため、PCB ボードはラックに置かれて硬化されます。はんだマスクの温度は約 150℃ で、銅張基板の Tg を超えているため、PCB は軟化しやすく、高温に耐えられません。メーカーは基板の両面を均等に加熱し、処理時間をできるだけ短くして、ボードの反りを減らす必要があります。
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PCB の冷却と加熱中に発生する反り。
はんだ炉の温度は225℃から265℃の範囲で、熱風はんだレベリング時間は3〜6秒です。熱風温度は280℃から300℃の範囲です。はんだレベリング後、基板は室温からはんだ炉に入れられ、取り出してからXNUMX分以内に室温洗浄処理が行われます。熱風はんだレベリングプロセス全体は、急激な加熱と冷却を伴います。基板の材質の違いや構造の不均一性により、熱応力によって必然的に微細な歪みや全体的な反りが発生します。
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不適切な保管により生じた反り。
半完成品の保管中、PCB は通常ラックにしっかりと固定されます。ラックの張力が適切に調整されていない場合や、保管中にボードが積み重ねられている場合、機械的な変形が発生する可能性があります。この問題は、2.0mm 未満の薄いボードの場合にさらに深刻になります。
エンジニアリング設計上の理由
- 基板上の銅の領域が不均一で、片側に多く、反対側に少ない。線がまばらな領域では、密集した領域に比べて表面張力が弱く、高温により基板が反ることがあります。
- 特殊な誘電またはインピーダンスの関係により、積層構造が非対称になり、ボードの反りが生じる可能性があります。
- ボードの切り欠きが大きすぎたり、数が多すぎたりすると、高温時に反りが生じる可能性があります。
- ボード上のパネルの数が多すぎると、特に長方形のボードの場合、パネル間に空洞があり、反りが生じる可能性があります。
5. PCB の反りを改善するには?
1. PCB設計時の考慮事項
表面張力を高めるために基板上に銅を流し込む
基板の長さが80mmを超え、銅が無く、基板の厚さが1.0mm未満の場合は反りが発生することがあります。基板をプレスしたり厚くしたりできない場合は、強くプレスして反りを修正してください。
空洞部への銅めっきとそのプロセス
空洞部分が多かったり、基板が大きすぎると、リフローはんだ付け後に反りが生じやすくなります。PCB の製造中、誘電体層は均等に分布していますが、銅層の分布が不均一だと反りが生じます。設計者は、基板の各層の銅パターンと回路領域のバランスをとるとともに、部品のレイアウト、アセンブリの分布、熱の分布を調整して、反りを最小限に抑える必要があります。
たとえば、上面の銅面積が大きく、下面の銅トレースが最小限である場合、PCB はエッチング後にさらに反りやすくなります。設計者は、両方の外層の銅パターン面積が可能な限り一致するようにする必要があります。銅面積に大きな差がある場合は、薄い側に別の銅グリッドを追加すると、2 つのバランスをとることができます。
推奨事項: 反りを減らすために中空の領域に銅メッキを施します。また、機能に影響がない場合は基板の内側にも銅メッキを施します。最後に、プロセス中にエッジに沿って銅メッキを施します。
コアとPPシートは同じブランドを使用する
反りを防ぐために、多層ボードのコアと PP シートは同じブランドのものでなければなりません。たとえば、6 層ボードに非対称の PP シート (2 ～ 3 層のコアでは薄く、4 ～ 5 層のコアでは厚い) がある場合、プレスすると反りが生じる可能性があります。したがって、一貫した厚さと対称性を確保するために、コアと PP シートは同じブランドのものでなければなりません。
プリプレグ層配置の対称性を維持
メーカーは、プリプレグ層の配置が対称的であることを確認する必要があります。たとえば、1 層のボードでは、2 層目と 5 層目の間の厚さと 6 層目と XNUMX 層目の間の厚さは、プリプレグ シートの数を含めて理想的には同じである必要があります。これにより、積層後の反りが防止されます。
2. PCB処理中の考慮事項
PCBの事前カット
切断前に銅張り基板を焼成（150°C、8±2 時間）して水分を除去し、樹脂を完全に硬化させます。これにより、PCB の残留応力が除去され、反りが防止されます。多くの両面および多層基板では、切断前または切断後に焼成手順がまだ適用されていますが、一部の工場では例外があります。乾燥時間は PCB メーカーによって異なり、4 ～ 10 時間です。基板のグレードと反りの要件に基づいて決定することをお勧めします。
切断前に板全体を焼く方法と、切断してから焼く方法のどちらも可能です。切断後に焼くことが好ましく、内側の板も焼く必要があります。
プリプレグの方向
プリプレグは、縦方向と横方向で収縮の度合いが異なります。積層後の反りを防ぐためには、切断と積層中に適切な差別化を行うことが重要です。プリプレグが縦方向と横方向で差別化されていない場合、焼成ボードに圧力がかかっても反りが生じる可能性があります。
縦糸と横糸の方向を区別するには、プリプレグの場合、圧延方向が縦糸、幅方向が横糸です。銅箔の場合、長辺が横糸、短辺が縦糸です。不明な場合は、製造元またはサプライヤーにお問い合わせください。
ラミネート後の応力緩和
熱プレスと冷間プレスの後、多層基板のバリを取り除き、オーブンで 150°C で 4 時間平らに置いて、徐々に内部応力を解放し、樹脂を完全に硬化させます。この手順は必須であり、省略しないでください。
メッキ中の薄板の矯正
極薄多層基板（0.4～0.6mm）の場合、表面めっきおよびパターンめっき時に専用のクランプローラーを使用します。薄板をローラーにクランプし、円筒形の棒で固定します。これにより、めっき後の変形を防止します。
熱風レベリング後の冷却ボード
熱風レベリング中、PCB は高温 (約 250°C) の影響を受けます。取り外した後、平らな大理石または鋼板の上に置いて自然冷却し、後処理機械に送って洗浄します。これにより、反りを防ぐことができます。
工場によっては、はんだ付け面の輝度を高めるために、熱風レベリング後すぐに基板を冷水に浸すところもあります。この熱衝撃により、反り、剥離、気泡が発生することがあります。装置に冷却用のエアクッションベッドを設置することも選択肢の 1 つです。
6. PCBの反りの修復方法
PCB加工中の反りの修復
反りが著しい基板は、次の工程に進む前にローラーレベリングマシンを使用して修正することができます。多くの PCB メーカーは、最終的な PCB の反りを減らすためにこの方法が効果的であると考えています。
完成したPCBの反りの修復
完成した基板に著しい反りがある場合、ローラー レベリング マシンは効果がない場合があります。一部の PCB 工場では、小型の圧力マシン (または同様の器具) を使用して反りのある PCB をプレスし、数時間から 10 時間圧力を加えて冷間プレスします。効果はさまざまで、結果が大きくない場合があり、基板がリバウンドする場合があります。
一部の PCB 工場では、ホットプレスを行う前に小型プレス機を一定の温度まで加熱しており、コールドプレスに比べて結果を改善できます。ただし、過度の圧力はトレースを変形させる可能性があり、高温ははんだフラックスの変色などの欠陥を引き起こす可能性があります。コールドプレスとホットプレスのどちらも結果が出るまでに数時間かかり、プレス後にリバウンドが発生することがよくあります。
ホット スタンピングのレベリングには、弓形の金型の使用が推奨されます。PCB 領域に応じて、単純な弓形の金型を使用します。レベリング操作には次の 2 種類が提案されています。
弓型を使った焼き上げと水平出し
反り返った PCB の曲面側を金型の曲面に向けて置き、固定ネジを調整して反りを相殺し、金型を一定の温度のオーブンで焼きます。加熱すると基板の応力が緩和され、変形した PCB が平らな状態に戻ります。ただし、樹脂の変色や基板の黄変を防ぐため、過度の温度は避けてください。温度が低いと、応力が完全に緩和されるまでに時間がかかる場合があります。
一般的に、焼成の基準温度としては基板のガラス転移温度を使用します。これはポリマー鎖が再配列し、応力が完全に緩和される温度です。
弓型法は効果的でコスト効率に優れています。PCB 工場ではオーブンが一般的に使用されており、レベリング作業は簡単です。反りのあるボードが複数ある場合は、複数の弓型を同時に使用して乾燥時間を短縮 (約数分) し、効率を高めることができます。
弓型を使った軟化と平坦化
反りが小さい基板の場合は、予熱したオーブン（基板のガラス転移温度に応じて温度を設定）に PCB を入れ、柔らかくなるまで焼きます。反りを抑えるために、弓形の圧力ネジを調整し、基板を冷まして固めます。この方法は、ウェーブはんだ付け後でも反りを減らすのに効果的で、基板の外観への影響は最小限です。
PCB の反りは製造業者にとって難しい問題であり、歩留まりと納期に影響を及ぼします。適切なプロセス調整により、ホット スタンピング レベリングに弓形の金型を使用すると、反りを効果的に解決し、納期を守ることができます。
これで、PCB の反り、その原因、および解決策についての簡単な紹介は終わりです。
