摘要：介紹了再流焊過程中產生翹曲變形的原因，以及國內外研究人員對翹曲變形影響因素的研究。指出應以研製印製板工裝夾具作為防止變形的重點。
關鍵詞：大尺寸印製板組件；再流焊；翹曲；工裝夾具
1 引言
隨著電子信息技術的進步，印製板向著高集成度、高裝配密度和多層化方向發展，這要求印製板的變形量越小越好。然而，印製電路板裝聯表貼元器件時，在經過再流涵爐後，會產生不同程度的翹曲變形。這將導致焊點、元器件引線受應力作用，嚴重時甚至元器件產生開裂、印製板基材產生斷裂等缺陷，使產品可靠性嚴重降低。
目前，航天產品中已經使用了尺寸約為360mm×230mm的印製板，而個別預研型號中有些印製板尺寸約為500mm×400mm，並且這些板上或多或少使用了BGA、CCGA、高速電連接器等關鍵器件，印製板存在導電圖形分布不均衡、不對稱，及表面裝聯的元器件分布不均情況。對於小外形的片式電容器、電阻器，由於其體積小，熱容量小，在再流焊過程中吸熱少，其溫度變化與印製板基本一致，並且對印製板的溫度分布影響不大；而BGA、CCGA、高速電連接器等關鍵器件，封裝結構各異，導熱係數、熱膨脹係數等性能參數與印製板相差較大，在再流焊過程中吸熱較多，溫度變化與印製板之間存在較大差異，對印製板的溫度分布影響很大。這種情況下，印製板溫度分布不均而導致熱應力的存在，在再流焊後引起印製板翹曲變形，產生安全隱患。
雖然從工藝角度可以採取印製板裸板預烘防潮、合理設置回流焊工藝曲線等措施減小翹曲變形，但對於上述尺寸達到500mm×400mm甚至更大、元器件分布不均勻的印製板，這些方法效果甚微。
為提高航天產品的可靠性，有必要對這種大尺寸印製板的防變形技術進行研究，調整相應裝聯工藝，使再流焊後產生的翹曲變形儘可能小，從而保證產品質量安全可靠。
2 印製板再流焊過程中變形原因
造成印製板組件在再流焊過程中出現翹曲變形的影響因素很多，主要包括印製板本身結構及材料組成、過再流焊爐時所裝表貼元器件種類和印製板支撐方式等。
2.1 印製板組件概述
印製板泛指通過印刷導體的方法在表面和內部形成電路的絕緣基板，基本功能是承載電子元器件並實現電氣連接。印製板的基板通常由具有絕緣隔熱、不易彎曲特性的材料製成的。在印製板表面和內部形成電路的細小導體是銅箔，製造過程中，需要對銅箔進行蝕刻處理，從而得到所需功能的電氣連接[1]。
製作印製板絕緣基板的一個重要組成材料是玻璃纖維布。目前FR-4環氧玻璃布基材佔基材總量90%以上[2]。FR-4的熱膨脹係數隨溫度變化，如表1所示。
銅箔是形成印製板內電路的主要材料，分為壓延銅箔和電解銅箔兩大類，目前印製板中常用的銅箔厚度規格有12μm、18μm、35μm和70μm[4]。銅箔的熱膨脹係數也隨溫度變化，見表2所示。
目前航天產品中，在印製板表面貼裝的元件主要包括片式電阻、片式電容、FP/QFP晶片、BGA晶片、CCGA晶片、3D-PLUS器件和高速電連接器等。對於小外形的片式電容器、電阻器，由於其體積小，熱容量小，在再流焊過程中吸熱少，其溫度變化與印製板基本一致，並且對印製板的溫度分布影響不大。BGA、CCGA、高速電連接器等關鍵器件，封裝結構各異，導熱係數、熱膨脹係數等性能參數與印製板相差較大，在再流焊過程中吸熱較多，溫度變化與印製板之間存在較大差異，對印製板的溫度分布影響很大。
從封裝材料上看，晶片可分為塑料封裝、金屬封裝和陶瓷封裝，其中，民品中多使用價格低廉的塑料封裝晶片，而軍品中由於對密封性要求較高，主要使用陶瓷封裝和金屬封裝的元器件。如圖1所示為陶瓷QFP封裝晶片，其本體為氧化鋁陶瓷，引線為銅引線，並且在上表面設計了金屬散熱蓋；航天產品中常用的BGA晶片結構如圖2所示，矽晶片通過金屬絲焊接在基板上，基板材料為普通的印製板基材，然後再用散熱金屬蓋將晶片密封起來，並在基板的下表面植有SnPb共晶合金焊球陣列，CCGA與BGA不同之處在於前者的陣列材料是Sn20/Pb80合金焊柱。
2.2 產生翹曲變形的原因
大尺寸印製板在再流焊過程中產生翹曲變形的原因很多，首先，大尺寸的印製板由於自身重量很大，在重力作用下的下墜會導致翹曲產生；其次，印製板本身構成成分不均勻、不對稱，在受熱過程中變形不一致，會導致翹曲產生；再次，印製板組件使用的BGA、QFP、PLCC等器件材料及尺寸不同，在受熱過程中對相連接的印製板部位影響不一致，會導致翹曲產生。
如圖3所示，目前航天產品印製板組件在再流焊過程中，使用5A06防鏽鋁製成的託架支撐印製板兩條邊，印製板中間懸空。在再流焊過程中，大尺寸的印製板自身重量很大，另外，在其表面貼裝的BGA、QFP、高速電連接器等器件也存在一定重量，因此在再流焊之後會造成如圖3b所示的翹曲變形，導致元器件下的焊點或引線會受到應力作用。
自重是造成翹曲的次要因素，更主要的原因是在再流焊前後由於熱應力引起的印製板組件翹曲。在再流焊過程中，印製板及其上表貼的元器件都要經歷溫度先升高後降低的過程。在溫度變化過程中，印製板組件各組成部分都會在溫度作用下發生變形。如表1、表2、表3所示，印製板及各表貼元器件的熱膨脹係數不同，體積也不同，在再流焊的加熱階段，印製板組件受到相同的加熱作用，但是印製板與元器件產生的膨脹並不相同。因此，印製板與承載的元器件之間相互制約，不能自由膨脹，從而產生熱應力。然後，在再流焊的冷卻階段，熱應力釋放過程中，組件之間發生不同的收縮變形，就造成了印製板組件在再流焊接之後的翹曲變形。過大的變形將導致元器件引腳和焊盤上熔化焊膏之間產生間隙、引腳脫離焊膏等，從而使得元器件與印製板之間的電氣、物理連接失效。
3 翹曲變形研究現狀
良好的再流焊工藝必須最大限度避免焊接之後印制板出現翹曲變形的問題。傳統的優化再流焊工藝的方法是經反覆試驗和調整測試印製板的翹曲變形，這種方法缺點很多，根據不同的電路板要進行工裝夾具、再流焊溫度曲線等的設計調試，既費時又耗費大量實驗經費。在這一背景下，應用計算機軟體工具分析模擬印製板組件在再流焊過程中的物理行為非常有幫助。模擬仿真可以得到印製板組件在再流焊過程中的溫度變化及變形情況，為再流焊溫度曲線的設定調整提供依據，還可以使設計者重新排布表面貼裝的元器件位置，儘可能減小翹曲變形，從而提高產品可靠性。
在國外，研究人員早已開始了對印製板翹曲問題的探索和研究。對再流焊接工藝的模擬仿真分析主要有兩種方法：一種主要以F Sarvar[3]為代表，以加熱機理為分析基礎，建立的模型包括元器件的種類、材質和傳熱方式等相關內容，從而進行仿真分析；另一種的代表是Inter公司，基於統計過程控制原理[7]，研製儀器，通過採集再流焊過程中的翹曲變形數據，並進行分析，從而控制和預測再流焊過程中印製板組件產生的翹曲變形；前一種方法對再流焊過程中的紅外加熱或熱風加熱的機理進行分析，建立包含印製板、元器件結構和材料等信息的模型，使用有限元軟體模擬再流焊過程中的印製板組件變化過程，對翹曲變形進行預測，應用較為廣泛。
1990年Daniel[8]採用線性迭片理論，研究了印製板中典型電解質材料的排列方式對印製板翹曲變形的影響，研究中儘管沒有考慮到材料屬性隨溫度的變化情況，但考慮了在再流焊過程中發生聚合收縮反應所引起的不可逆的化學變性。Yeh [9]則在1993年運用有限元方法，對印製板由於受熱而產生的翹曲進行了研究，並通過影像波紋技術實驗驗證了模擬仿真的結果。通過研究印製板厚度和材料性能，得出各材料的不同熱膨脹係數是導致印製板再流焊後產生翹曲變形的最主要因素。在此建模分析過程中，未考慮再流焊過程中印製板支撐和約束條件等對產生翹曲變形的影響，如圖4所示。
2004年，Hai Ding和Ume I C [10]得出結論，通過控制印製板材料及幾何形狀、印製板上元器件的布局位置以及再流焊生產參數，可以有效減小印製板組件的翹曲變形。研究中通過ANSYS軟體模擬計算了印製板變形，並與通過波紋實驗得出的熱變形相對比，經過試驗系統設計使建模結果與實驗結果相一致，達到了高效率的模擬仿真計算。該研究表明，元器件布局時儘可能分散布置在距離印製板中心較遠的位置，以及儘可能使用尺寸較小的元器件，更有利於防止產生翹曲變形此外，Yarom Polsky[11]等人運用熱彈性經典層合板理論預測對稱和簡易支撐的印製板的熱變形，考慮了材料性能隨溫度變化的情況，計算出了厚度方向的溫度分布導致的變形。
西安交通大學的杜磊等人是國內較早採用有限元模擬方法研究印製板翹曲變形的，根據無耦合擬靜態熱彈性理學理論，分析了典型的表面組裝結構（表貼片式多層陶瓷電容器等）在再流焊過程中的溫度和應力場分布，指出了變形和裂紋的潛在發生區域和可能性[12]。
天津大學從2002年開始對印製板組建的翹曲問題進行了初步研究。毛信龍[4]建立了一個貼裝3個PLCC（塑封有引線晶片）的4層印製板板幾何模型，用ANSYS有限元軟體模擬了三種不同約束條件下印製板組件在再流焊過程中受熱衝擊產生的熱應力和熱變形，得出的結論是在底面對角兩點約束下印製板翹曲變形最大，底面四個頂點約束時變形其次，而底面兩邊約束時變形最小。趙健[1]使用有限元軟體ANSYS對再流焊過程中印製線路板組件隨溫度變化產生翹曲變形的規律進行了仿真分析，結果表明從再流焊區向冷卻區過渡時印製板組件產生的翹曲變形最大，並指出通過改變印製板布局的對稱性、在再流焊過程中使用適當方式支撐印製板等可以減小印製板組件的變形。
邴繼兵[13]運用ANSYS軟體分析了一種典型高裝配密度的印製板組件在再流焊過程中產生的熱變形情況，研究表明再流焊過程中，溫度由低到高分別是裸露的基板表面、元器件附近的基板、集成電路晶片本身；元器件、印製板基板之間溫度差異越大，印製板組件的變形就越大；另外，升溫和冷卻速率越大，印製板組件的變形也就越大。
綜上所述，對於印製板在再流焊過程中產生翹曲變形有以下結論：
a.從再流焊區向冷卻區過渡時，印製板組件產生的翹曲變形最大；
b.改變印製板布局的對稱性，可以減小再流焊後產生的翹曲變形；
c.表貼元器件與印製板之間的溫度差異越大，再流焊後產生的翹曲變形越大；
d.升溫和冷卻速率越大，焊後產生的翹曲變形越大；
e.選擇玻璃化溫度高的複合材料和強度高的電解銅箔製作印製板，有利於減小焊後產生的翹曲變形；
f.將元器件分散擺放於遠離印製板中心的位置，可以減小翹曲，較小的元器件比較大的更有利於防止翹曲的產生；
g.選擇適當的固定和支撐方式，有利於減小焊後產生的翹曲變形。
4 防變形研究技術方案
國內外研究結果表明，減小印製板組件在再流焊過程中產生翹曲變形的方法，可以從設計和工藝兩方面入手。設計方面，主要有選用玻璃化溫度高的複合材料和強度高的電解銅箔製作印製板，提高印製板布局的對稱性，使用較小的表貼元器件；而工藝方面，主要有調節再流焊溫度曲線、選擇適當的固定和支撐方式等。
對於航天產品中的印製板組件，在印製板設計階段，根據電氣性能的需要，使用了BGA、CCGA等關鍵器件，這些器件無法使用較小的元器件替代；同時，設計人員已經儘可能實現了印製板布局的對稱性，將電路板表面貼裝的元器件對稱布置，並將印製板內各層銅箔對稱布局，從而使印製板在再流焊過程中產生儘可能小的翹曲變形；而印製板製造廠家，則按照相關標準選擇了玻璃化溫度高的複合材料和強度高的電解銅箔製作印製板，從而保證印製板再流焊後產生的翹曲變形儘可能小。
在印製板設計已經確定的情況下，減小印製板翹曲變形的主要方法是再流焊的工藝研究。再流焊過程中，使用Pn37/Sn63焊料時升溫、冷卻的速率及時間都是有嚴格要求的，焊接溫度曲線調整範圍很小。因此，為儘可能減小在印製板發生翹曲變形，應以適當的固定和支撐方式即工裝夾具為研究重點。
5 結束語
介紹了大尺寸印製板組件在再流焊過程中產生翹曲變形的原因，以及國內外研究人員對翹曲變形影響因素的研究。在此基礎上，指出了為防止大尺寸印製板組件在再流焊過程中產生翹曲變形，應該以研製印製板工裝夾具為研究重點。
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