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目录

第一章 电路板变形的危害与行业标准

第二章 PCB变形的机理分析：材料与物理特性

热膨胀系数（CTE）的差异

玻璃化转变温度（Tg）的关键作用

第三章 变形产生的详细原因分析

3.1 设计层面的原因

3.2 压合过程中的变形机理

3.3 加工制程中的变形因素

第四章 针对回流焊及设计的改善对策

第五章 PCB生产工程中的优化措施

5.1 不同材料对板件变形的影响及选型

5.2 工程设计的优化策略

5.3 压合工艺的研究与改进

5.4 其他生产流程的细节控制

5.5 出货前的校平处理

第六章 总结

第一章 电路板变形的危害与行业标准

随着电子产品的飞速发展，表面贴装技术正朝着高精度、高速度及智能化的方向迈进。作为元器件的承载体，PCB板的平整度直接决定了电子组装的良率与可靠性。若电路板在进入自动化产线时存在不平整现象，首先会导致定位不准，使得元器件无法精确插装或贴装到预定的孔位与焊盘上。在极端情况下，翘曲的板子甚至会直接撞击、损坏自动插装机，导致高昂的设备维修费用及产线停工损失。

此外，即便完成了贴装，若装上元器件的电路板在焊接后发生弯曲，元件脚将难以被剪平整齐，板子也无法顺利装接到机箱或机内的插座中。对于装配厂而言，板翘是极其棘手的问题，严重阻碍了生产效率的提升。

针对这一问题，IPC（国际电子工业联接协会）标准明确规定：带有表面贴装器件的PCB板，其允许的最大变形量为0.75%；而无表面贴装的PCB板，允许的最大变形量为1.5%。然而，在实际的高精度制造中，这一标准往往显得过于宽松。为了满足高精度和高速度贴装的严苛需求，部分电子装联厂家对变形量的要求更为严格。例如，许多客户要求允许的最大变形量必须控制在0.5%以内，甚至有个别高端客户要求达到0.3%。这意味着，PCB制造商必须采取一切可行手段，将板弯板翘控制在极小范围内，以适应现代电子工业的高标准要求。

第二章 PCB变形的机理分析：材料与物理特性

PCB板并非一种均质材料，而是由铜箔、树脂（如环氧树脂）、玻璃布等复合材料层压而成。由于这些材料的物理和化学性能（如热膨胀系数、导热系数、杨氏模量等）存在显著差异，当它们在高温高压下被压合在一起时，必然会产生热应力残留。这种内应力的存在，是导致PCB在后续加工及过炉时发生变形的内在根源。

热膨胀系数（CTE）的差异

铜箔具有特定的热膨胀系数，而普通FR-4基材的CTE则不同。特别是在Tg（玻璃化转变温度）点以下和以上，基材的Z向CTE会发生剧烈变化，通常在Tg点以上，FR-4树脂的膨胀系数会大幅增加（达到250~350 x 10^-6）。虽然由于玻璃布的存在，基材在X、Y方向的CTE与铜箔较为接近，但在厚度方向（Z轴）以及非均匀分布的区域，这种CTE的不匹配会导致材料在受热时发生不同程度的膨胀，冷却时又因收缩比例不同而产生剪切应力，最终导致板件弯曲。

玻璃化转变温度（Tg）的关键作用

Tg是聚合物材料特有的物理参数，指基材由“玻璃态”转变为“橡胶态”的温度。简而言之，Tg是基材保持刚性的最高温度上限。

• 当温度低于Tg时，PCB基材处于玻璃态，具有较高的硬度和尺寸稳定性；

• 当温度升高至Tg以上时，基材转变为高弹态（橡胶态），此时材料变软，模量急剧下降，机械强度和尺寸稳定性大幅降低。

普通板材的Tg通常在130℃以上，而高Tg板材一般大于170℃，中等Tg约大于150℃。在无铅制程中，焊接温度往往较高，若使用低Tg板材，板子在回流焊炉中很容易进入橡胶态，导致软化变形。基板的Tg值越高，板材的耐热性、耐潮湿性、耐化学性及尺寸稳定性就越好。因此，高Tg板材在高温下的变形抵抗能力明显优于普通板材，是解决高温变形的重要途径之一。

第三章 变形产生的详细原因分析

PCB板的变形成因复杂，需从设计图形分布、加工制程应力释放等环节进行系统性剖析。

3.1 设计层面的原因

• 铺铜面面积不均匀：电路板上通常设计有大面积铜箔作为接地层（GND）或电源层（Vcc）。若这些大面积铜箔不能均匀地分布在同一片电路板上，会导致吸热与散热速度的不一致。根据热胀冷缩原理，铜箔面积大的一面升温快、膨胀大，而面积小的一面则相对较弱。若整板涨缩不能同步，板内会产生巨大的热应力。当板子温度达到Tg值上限导致基材软化时，这种应力便会造成永久的塑性变形。

• 过孔对涨缩的限制：多层板层与层之间通过通孔、盲孔或埋孔进行连接。这些过孔类似于铆钉，在物理结构上限制了板子的自由涨缩。特别是在热循环过程中，有连接点的地方无法自由收缩，从而在局部产生应力集中，间接诱发板弯与板翘。

• 电路板自身重量导致的凹陷：回流焊炉通常采用链条输送系统，以板子两边作为支点带动其前进。对于尺寸过大或板上贴装了较重元器件（如大型变压器、连接器）的PCB，在高温下基材软化，板子因自身重力作用，会在两个链条支点之间呈现出中间凹陷的现象，造成板弯。

• V-Cut（V型割槽）的影响：V-Cut是在拼板连接处切出的沟槽，用于分板。然而，V-Cut破坏了板材的连续结构，切断了玻璃纤维的连续性，显著降低了该处的结构强度。V-Cut越深，残余应力释放越不均匀，越容易导致拼板变形甚至断裂。

3.2 压合过程中的变形机理

压合是产生内应力的核心环节。其变形机理可通过CTE差异模拟来解释：
假设有两张CTE不同的芯板（A和B），长度均为1000mm，CTE分别为1.5 x 10^-5/℃和2.5 x 10^-5/℃。在压合升温过程中（如从30℃升至180℃），半固化片（PP片）处于熔融流动状态，芯板和铜箔可以自由膨胀。此时，A芯板伸长2.25mm，B芯板伸长3.75mm。由于此时树脂尚未固化，两者互不干涉。
然而，当温度维持在高温段使半固化片完全固化后，树脂将两张芯板牢牢粘合在一起。在随后的降温过程中，若没有层间树脂的束缚，两者本应回复至原长。但实际上，由于已固化为一个整体，B芯板想要大幅收缩（3.75mm）却受到A芯板（只能收缩2.25mm）的强力牵制。为达成受力平衡，B芯板无法完全收缩，而A芯板被过度拉伸。最终，整块复合板会向CTE较大的B芯板方向弯曲，形成永久性的板翘。
这一原理说明了PCB的层压结构、材料类型及图形分布对称性，直接决定了不同层间的应力差。

3.3 加工制程中的变形因素

• 覆铜板来料：虽然覆铜板本身结构对称，但由于压机尺寸大，热盘不同区域存在温差，导致树脂固化程度不一，产生局部残余应力。

• 压合工序：除了上述CTE不匹配外，压合过程中的升温速率、压力分布不均也会引入复杂的内应力。

• 阻焊与字符烘烤：固化温度通常在150℃左右，这刚好超过中低Tg材料的Tg点。此时板子处于高弹态，若竖放在架子上，容易在自重或烘箱强风作用下发生下垂变形。

• 热风焊料整平（HASL）：板子从室温进入约265℃的锡炉，几秒后出炉，随即进行冷水洗。这种剧烈的“骤热骤冷”过程（热冲击），使得板材内部产生剧烈的热胀冷缩应力，极易导致微观应变和整体翘曲。

• 存放与搬运：半成品存放时，若架子调节过紧或直接堆叠，会使薄板（如2.0mm以下）受外力产生机械变形。

第四章 针对回流焊及设计的改善对策

为防止板子过回流焊时发生板弯及板翘，可采取以下针对性措施：

1. 降低温度对应力的影响：温度是应力的主要来源。适当降低回流焊的峰值温度，或者减缓升温及冷却的斜率，可以大大降低板内热应力，从而减少变形。但需注意，这可能影响焊接质量，需权衡利弊。

2. 采用高Tg的板材：如前所述，高Tg板材在高温下仍能保持较好的刚性，不易软化。采用高Tg材料可以显著增加板子承受高温变形的能力，虽然成本较高，但对于高密度、高可靠性产品是必要的选择。

3. 增加电路板厚度：轻薄化是趋势，但0.6mm-0.8mm的薄板抗变形能力极差。在无特殊轻薄要求下，建议使用1.6mm的标准厚度，这能大幅提升板的刚度，降低过炉时的下陷风险。

4. 减少电路板尺寸与拼板数量：基于链条输送的原理，尺寸越大的板子，中间悬空部分越长，因自重产生的凹陷越严重。设计时应尽量将长边作为传动边，且降低拼板数量。过炉时，尽量让窄边垂直于过炉方向，以减小跨度，达到最低的凹陷变形量。

5. 使用过炉托盘治具：当上述设计优化受限时，使用过炉托盘是最有效的物理手段。托盘利用自身的平整度和刚性，通过卡扣固定住电路板。无论是在热胀还是冷缩阶段，托盘都能强制约束板子，直至其温度降至Tg以下重新硬化，从而维持原有形状。对于变形极其敏感的板子，可使用带盖子的托盘，将电路板上下夹紧，效果更佳。缺点是成本高，且需人工操作。

6. 改用实连接、邮票孔替代V-Cut：鉴于V-Cut破坏结构强度，应尽量减少其使用，或严格控制V-Cut的深度（通常建议保留一定厚度的连接筋）。推荐采用实连接配合铣刀分板，或者邮票孔（邮票孔分板）的方式。这些方式能更好地保持拼板间的结构完整性，减少分板前的应力释放变形。

第五章 PCB生产工程中的优化措施

除了SMT端的对策，PCB制造过程中的控制才是解决问题的根本。

5.1 不同材料对板件变形的影响及选型

统计数据表明，低Tg材料的变形缺陷率显著高于高Tg材料。高Tg材料通常含有填料，其CTE较小，且在后序烘烤（150℃）过程中受Tg点影响较小。因此，在客户成本预算允许范围内，推荐优先选用高Tg、低CTE的板材。

5.2 工程设计的优化策略

工程设计应遵循“对称性”原则。

• 结构与图形对称：尽量避免不对称的层压结构（如一边是铜箔，一边是厚芯板）和不对称的铜分布。不对称设计会导致两侧应力严重失衡，引发严重的板弯。

• 压合结构选择：研究发现，芯板直接压合结构（Core-Core Stack-up）比铜箔压合结构（Foil Construction）更容易变形。因为多张芯板间的涨缩叠加更复杂，应力更难消除。在工程设计时，应优先评估结构的对称性。

• 拼板边框设计：边框形式对应力释放影响巨大。连续的大铜皮边框强度高、刚性大，这反而使得板件内部残余应力在压合和加工过程中难以释放，最终集中在外形加工后爆发，导致严重变形。相反，采用非连续的铜点或铜块边框，允许应力在加工过程中逐步、均匀地释放，从而减少外形切割后的单板变形。

5.3 压合工艺的研究与改进

• 对称叠板：对于一般板件，压合时必须严格遵守对称叠板原则，包括对称放置工具板、缓冲材料等，以确保受热均匀和压力平衡。

• 冷热一体压机：优先使用冷热一体压机。传统的“热压+冷压”分离工艺，需要将板子在高温（Tg以上）下转移到冷压机，此过程中的失压和快速冷却会导致热应力剧烈释放。冷热一体压机可实现热压末段的程序化降温，避免板子在高温下失压，从而减少变形。

• 非对称叠板法：针对客户强制要求的不对称结构板件（如一面沉金，一面喷锡，或铜厚差异大），可尝试非对称叠板法。其原理是通过非对称放置缓冲材料，改变板子双面的升温速率，人为补偿因CTE不同导致的涨缩差异。结合压合后的“后固化”流程及出货前的“机械校平”，可解决不对称板的变形难题。

5.4 其他生产流程的细节控制

• 烘板过程：阻焊及字符烘烤时，必须避免板子直接堆叠，防止下层板受压变形。同时，板件方向应与烘箱风向平行，减少风力造成的局部受热不均。

• 热风整平（HASL）：板子出锡炉后，必须保持平放冷却30秒以上，严禁立即投入冷水洗。给予板子一个缓冲的冷却时间，可避免“淬火”效应导致的剧烈变形。

• 存储管理：半成品存储时，应合理调整架子间距，严禁多架板子堆叠挤压，避免因板材自身的塑性变形导致的永久损伤。

5.5 出货前的校平处理

作为最后一道防线，校平工序至关重要。

• 热烘校平：利用高温下材料内部分子链的重排来消除应力。对于普通Tg板材，140℃~150℃的烘板温度刚好超过Tg点，校平效果显著。对于高Tg板材，需适当提高温度，但需注意油墨和表面处理的耐热极限。

• 压重与炉冷：在校平烘箱中，对板子施加适当的压重，并大幅延长随炉冷却时间。实验数据证明，增加压重和延长炉冷时间，能显著降低校平后的反弹率，确保板子出厂时的平整度满足客户严苛要求。

第六章 总结

电路板经过回流焊时的板弯板翘问题，是一个涉及材料学、力学、结构设计及工艺控制的系统工程。从本质上讲，它是由于PCB内部不同材料的CTE不匹配，在热循环过程中产生的应力集中与释放的结果。

要克服这一难题，不能仅靠单一手段。在材料端，应优选高Tg、低CTE的基材；在设计端，需极力保持图形分布与层压结构的对称性，优化V-Cut与拼板设计；在生产制造端，需优化压合参数，采用对称叠板与冷热一体压机，并严格控制烘烤与热风整平的冷热冲击；而在SMT组装端，则可借助过炉托盘、优化炉温曲线以及调整过炉方向来规避风险。

只有通过“设计-材料-制程-组装”的全流程协同管理，才能将PCB的变形量控制在IPC标准甚至客户要求的0.3%以内，从而有效避免空焊、立碑等不良现象，确保电子产品的组装质量与长期可靠性。对于PCB制造商而言，掌握并运用这些技术，是提升核心竞争力、满足高端客户需求的关键所在。