摘要：介绍了再流焊过程中产生翘曲变形的原因，以及国内外研究人员对翘曲变形影响因素的研究。指出应以研制印制板工装夹具作为防止变形的重点。
关键词：大尺寸印制板组件；再流焊；翘曲；工装夹具
1引言
随着电子信息技术的进步，印制板向着高集成度、高装配密度和多层化方向发展，这要求印制板的变形量越小越好。然而，印制电路板装联表贴元器件时，在经过再流涵炉后，会产生不同程度的翘曲变形。这将导致焊点、元器件引线受应力作用，严重时甚至元器件产生开裂、印制板基材产生断裂等缺陷，使产品可靠性严重降低。
目前，航天产品中已经使用了尺寸约为mm×mm的印制板，而个别预研型号中有些印制板尺寸约为mm×mm，并且这些板上或多或少使用了BGA、CCGA、高速电连接器等关键器件，印制板存在导电图形分布不均衡、不对称，及表面装联的元器件分布不均情况。对于小外形的片式电容器、电阻器，由于其体积小，热容量小，在再流焊过程中吸热少，其温度变化与印制板基本一致，并且对印制板的温度分布影响不大；而BGA、CCGA、高速电连接器等关键器件，封装结构各异，导热系数、热膨胀系数等性能参数与印制板相差较大，在再流焊过程中吸热较多，温度变化与印制板之间存在较大差异，对印制板的温度分布影响很大。这种情况下，印制板温度分布不均而导致热应力的存在，在再流焊后引起印制板翘曲变形，产生安全隐患。
虽然从工艺角度可以采取印制板裸板预烘防潮、合理设置回流焊工艺曲线等措施减小翘曲变形，但对于上述尺寸达到mm×mm甚至更大、元器件分布不均匀的印制板，这些方法效果甚微。
为提高航天产品的可靠性，有必要对这种大尺寸印制板的防变形技术进行研究，调整相应装联工艺，使再流焊后产生的翘曲变形尽可能小，从而保证产品质量安全可靠。
2印制板再流焊过程中变形原因
造成印制板组件在再流焊过程中出现翘曲变形的影响因素很多，主要包括印制板本身结构及材料组成、过再流焊炉时所装表贴元器件种类和印制板支撑方式等。
2.1印制板组件概述
印制板泛指通过印刷导体的方法在表面和内部形成电路的绝缘基板，基本功能是承载电子元器件并实现电气连接。印制板的基板通常由具有绝缘隔热、不易弯曲特性的材料制成的。在印制板表面和内部形成电路的细小导体是铜箔，制造过程中，需要对铜箔进行蚀刻处理，从而得到所需功能的电气连接[1]。
制作印制板绝缘基板的一个重要组成材料是玻璃纤维布。目前FR-4环氧玻璃布基材占基材总量90%以上[2]。FR-4的热膨胀系数随温度变化，如表1所示。
铜箔是形成印制板内电路的主要材料，分为压延铜箔和电解铜箔两大类，目前印制板中常用的铜箔厚度规格有12μm、18μm、35μm和70μm[4]。铜箔的热膨胀系数也随温度变化，见表2所示。
目前航天产品中，在印制板表面贴装的元件主要包括片式电阻、片式电容、FP/QFP芯片、BGA芯片、CCGA芯片、3D-PLUS器件和高速电连接器等。对于小外形的片式电容器、电阻器，由于其体积小，热容量小，在再流焊过程中吸热少，其温度变化与印制板基本一致，并且对印制板的温度分布影响不大。BGA、CCGA、高速电连接器等关键器件，封装结构各异，导热系数、热膨胀系数等性能参数与印制板相差较大，在再流焊过程中吸热较多，温度变化与印制板之间存在较大差异，对印制板的温度分布影响很大。
从封装材料上看，芯片可分为塑料封装、金属封装和陶瓷封装，其中，民品中多使用价格低廉的塑料封装芯片，而军品中由于对密封性要求较高，主要使用陶瓷封装和金属封装的元器件。如图1所示为陶瓷QFP封装芯片，其本体为氧化铝陶瓷，引线为铜引线，并且在上表面设计了金属散热盖；航天产品中常用的BGA芯片结构如图2所示，硅芯片通过金属丝焊接在基板上，基板材料为普通的印制板基材，然后再用散热金属盖将芯片密封起来，并在基板的下表面植有SnPb共晶合金焊球阵列，CCGA与BGA不同之处在于前者的阵列材料是Sn20/Pb80合金焊柱。
2.2产生翘曲变形的原因
大尺寸印制板在再流焊过程中产生翘曲变形的原因很多，首先，大尺寸的印制板由于自身重量很大，在重力作用下的下坠会导致翘曲产生；其次，印制板本身构成成分不均匀、不对称，在受热过程中变形不一致，会导致翘曲产生；再次，印制板组件使用的BGA、QFP、PLCC等器件材料及尺寸不同，在受热过程中对相连接的印制板部位影响不一致，会导致翘曲产生。
如图3所示，目前航天产品印制板组件在再流焊过程中，使用5A06防锈铝制成的托架支撑印制板两条边，印制板中间悬空。在再流焊过程中，大尺寸的印制板自身重量很大，另外，在其表面贴装的BGA、QFP、高速电连接器等器件也存在一定重量，因此在再流焊之后会造成如图3b所示的翘曲变形，导致元器件下的焊点或引线会受到应力作用。
自重是造成翘曲的次要因素，更主要的原因是在再流焊前后由于热应力引起的印制板组件翘曲。在再流焊过程中，印制板及其上表贴的元器件都要经历温度先升高后降低的过程。在温度变化过程中，印制板组件各组成部分都会在温度作用下发生变形。如表1、表2、表3所示，印制板及各表贴元器件的热膨胀系数不同，体积也不同，在再流焊的加热阶段，印制板组件受到相同的加热作用，但是印制板与元器件产生的膨胀并不相同。因此，印制板与承载的元器件之间相互制约，不能自由膨胀，从而产生热应力。然后，在再流焊的冷却阶段，热应力释放过程中，组件之间发生不同的收缩变形，就造成了印制板组件在再流焊接之后的翘曲变形。过大的变形将导致元器件引脚和焊盘上熔化焊膏之间产生间隙、引脚脱离焊膏等，从而使得元器件与印制板之间的电气、物理连接失效。
3翘曲变形研究现状
良好的再流焊工艺必须最大限度避免焊接之后印制板出现翘曲变形的问题。传统的优化再流焊工艺的方法是经反复试验和调整测试印制板的翘曲变形，这种方法缺点很多，根据不同的电路板要进行工装夹具、再流焊温度曲线等的设计调试，既费时又耗费大量实验经费。在这一背景下，应用计算机软件工具分析模拟印制板组件在再流焊过程中的物理行为非常有帮助。模拟仿真可以得到印制板组件在再流焊过程中的温度变化及变形情况，为再流焊温度曲线的设定调整提供依据，还可以使设计者重新排布表面贴装的元器件位置，尽可能减小翘曲变形，从而提高产品可靠性。
在国外，研究人员早已开始了对印制板翘曲问题的探索和研究。对再流焊接工艺的模拟仿真分析主要有两种方法：一种主要以FSarvar[3]为代表，以加热机理为分析基础，建立的模型包括元器件的种类、材质和传热方式等相关内容，从而进行仿真分析；另一种的代表是Inter公司，基于统计过程控制原理[7]，研制仪器，通过采集再流焊过程中的翘曲变形数据，并进行分析，从而控制和预测再流焊过程中印制板组件产生的翘曲变形；前一种方法对再流焊过程中的红外加热或热风加热的机理进行分析，建立包含印制板、元器件结构和材料等信息的模型，使用有限元软件模拟再流焊过程中的印制板组件变化过程，对翘曲变形进行预测，应用较为广泛。
年Daniel[8]采用线性迭片理论，研究了印制板中典型电解质材料的排列方式对印制板翘曲变形的影响，研究中尽管没有考虑到材料属性随温度的变化情况，但考虑了在再流焊过程中发生聚合收缩反应所引起的不可逆的化学变性。Yeh[9]则在年运用有限元方法，对印制板由于受热而产生的翘曲进行了研究，并通过影像波纹技术实验验证了模拟仿真的结果。通过研究印制板厚度和材料性能，得出各材料的不同热膨胀系数是导致印制板再流焊后产生翘曲变形的最主要因素。在此建模分析过程中，未考虑再流焊过程中印制板支撑和约束条件等对产生翘曲变形的影响，如图4所示。
年，HaiDing和UmeIC[10]得出结论，通过控制印制板材料及几何形状、印制板上元器件的布局位置以及再流焊生产参数，可以有效减小印制板组件的翘曲变形。研究中通过ANSYS软件模拟计算了印制板变形，并与通过波纹实验得出的热变形相对比，经过试验系统设计使建模结果与实验结果相一致，达到了高效率的模拟仿真计算。该研究表明，元器件布局时尽可能分散布置在距离印制板中心较远的位置，以及尽可能使用尺寸较小的元器件，更有利于防止产生翘曲变形此外，YaromPolsky[11]等人运用热弹性经典层合板理论预测对称和简易支撑的印制板的热变形，考虑了材料性能随温度变化的情况，计算出了厚度方向的温度分布导致的变形。
西安交通大学的杜磊等人是国内较早采用有限元模拟方法研究印制板翘曲变形的，根据无耦合拟静态热弹性理学理论，分析了典型的表面组装结构（表贴片式多层陶瓷电容器等）在再流焊过程中的温度和应力场分布，指出了变形和裂纹的潜在发生区域和可能性[12]。
天津大学从年开始对印制板组建的翘曲问题进行了初步研究。毛信龙[4]建立了一个贴装3个PLCC（塑封有引线芯片）的4层印制板板几何模型，用ANSYS有限元软件模拟了三种不同约束条件下印制板组件在再流焊过程中受热冲击产生的热应力和热变形，得出的结论是在底面对角两点约束下印制板翘曲变形最大，底面四个顶点约束时变形其次，而底面两边约束时变形最小。赵健[1]使用有限元软件ANSYS对再流焊过程中印制线路板组件随温度变化产生翘曲变形的规律进行了仿真分析，结果表明从再流焊区向冷却区过渡时印制板组件产生的翘曲变形最大，并指出通过改变印制板布局的对称性、在再流焊过程中使用适当方式支撑印制板等可以减小印制板组件的变形。
邴继兵[13]运用ANSYS软件分析了一种典型高装配密度的印制板组件在再流焊过程中产生的热变形情况，研究表明再流焊过程中，温度由低到高分别是裸露的基板表面、元器件附近的基板、集成电路芯片本身；元器件、印制板基板之间温度差异越大，印制板组件的变形就越大；另外，升温和冷却速率越大，印制板组件的变形也就越大。
综上所述，对于印制板在再流焊过程中产生翘曲变形有以下结论：
a.从再流焊区向冷却区过渡时，印制板组件产生的翘曲变形最大；
b.改变印制板布局的对称性，可以减小再流焊后产生的翘曲变形；
c.表贴元器件与印制板之间的温度差异越大，再流焊后产生的翘曲变形越大；
d.升温和冷却速率越大，焊后产生的翘曲变形越大；
e.选择玻璃化温度高的复合材料和强度高的电解铜箔制作印制板，有利于减小焊后产生的翘曲变形；
f.将元器件分散摆放于远离印制板中心的位置，可以减小翘曲，较小的元器件比较大的更有利于防止翘曲的产生；
g.选择适当的固定和支撑方式，有利于减小焊后产生的翘曲变形。
4防变形研究技术方案
国内外研究结果表明，减小印制板组件在再流焊过程中产生翘曲变形的方法，可以从设计和工艺两方面入手。设计方面，主要有选用玻璃化温度高的复合材料和强度高的电解铜箔制作印制板，提高印制板布局的对称性，使用较小的表贴元器件；而工艺方面，主要有调节再流焊温度曲线、选择适当的固定和支撑方式等。
对于航天产品中的印制板组件，在印制板设计阶段，根据电气性能的需要，使用了BGA、CCGA等关键器件，这些器件无法使用较小的元器件替代；同时，设计人员已经尽可能实现了印制板布局的对称性，将电路板表面贴装的元器件对称布置，并将印制板内各层铜箔对称布局，从而使印制板在再流焊过程中产生尽可能小的翘曲变形；而印制板制造厂家，则按照相关标准选择了玻璃化温度高的复合材料和强度高的电解铜箔制作印制板，从而保证印制板再流焊后产生的翘曲变形尽可能小。
在印制板设计已经确定的情况下，减小印制板翘曲变形的主要方法是再流焊的工艺研究。再流焊过程中，使用Pn37/Sn63焊料时升温、冷却的速率及时间都是有严格要求的，焊接温度曲线调整范围很小。因此，为尽可能减小在印制板发生翘曲变形，应以适当的固定和支撑方式即工装夹具为研究重点。
5结束语
介绍了大尺寸印制板组件在再流焊过程中产生翘曲变形的原因，以及国内外研究人员对翘曲变形影响因素的研究。在此基础上，指出了为防止大尺寸印制板组件在再流焊过程中产生翘曲变形，应该以研制印制板工装夹具为研究重点。
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