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[技术] 分布式KVM传输器电路板变形的原因分析及改良

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发表于 2019-4-25 10:29:50 | 显示全部楼层 |阅读模式

" I. P8 e# }5 f/ e8 r分布式KVM传输器电路板变形的原因分析及改良
  R) S; F2 I3 }: _+ |
* R7 B; ?9 c2 a* d! J如果忍耐算是坚强,我选择抵抗;
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  如果妥协算是努力,我选择争取。
2 V4 J: Z3 \* H. {) O' c
5 j+ r& f# f/ A) b( L( R  ————来自电影《不跟随》
3 W; }: S2 t6 P% L( p2 ^/ ^7 X
9 M; R4 J- m% W' f' a" S) ]  不知从何时开始,产品同质化成了这个商业时代的潮流,为了生存和利益只处理熟悉范围内的事情,不愿花费大量的努力和精力革故鼎新。熟知Husion的客户都知道,Husion一直坚持着产品差异化,这种差异化体现在敢于否定经验,敢于寻找突破,不间断地、坚持不懈地寻求*方案,直到把它做好做精。
4 Y* E% T' ]8 M6 O- ]! ~* L! T9 F% v# p( H- l) X+ `; J, O6 Bwww.audioapp.cn  audio app

  5 g! f$ R: W  Q0 Lwww.audioapp.cn  audio app

2018121958139845.jpg
; X! z* D( h' E6 }  分布式KVM传输器是远程访问控制的重要枢纽,一旦出现故障就会大大影响系统的稳定性,为此,Husion对分布式KVM传输器的故障进行了检查,发现有些故障问题可能是由于电路板变形引起的,并存在一定的隐患,本篇Husion内容整理出改进改良PCB变形的方案,并提出予以实施。; N  l4 e7 ^& g0 y' F2 Ywww.audioapp.cn  audio app

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2018121958118813.jpg   C0 k( N3 b5 g9 [& R3 Bwww.audioapp.cn  audio app


/ e3 @2 Q% w+ T  PCB板平整性的重要性
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  首先我们先来了解一下PCB板的平整性的重要性。目前表面贴装技术正在朝着高精度、高速度、智能化方向发展,这就对做为各种元器件承载的PCB板提出了更高的平整度要求。在自动化表面贴装线上,电路板若不平整,会引起定位不准,元器件无法插装或贴装到板子的孔和表面贴装焊盘上,装上元器件的电路板焊接后发生弯曲,板子也无法装到机箱或机内的插座上。* L1 h6 V4 a, J4 @/ m+ Ewww.audioapp.cn  audio app

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  在IPC标准中特别指出带有表面贴装器件的PCB板允许的*变形量为0.75%,没有表面贴装的PCB板允许的*变形量为1.5%。实际上,为满足高精度和高速度贴装的需求,部分电子装联厂家对变形量的要求更加严格,例如有些公司要求允许的*变形量为0.5%,甚至有的要求0.3%。电路板经过回流焊时大多容易发生板弯板翘,严重的,甚至会造成元件空焊、虚焊、立碑等情况。
; F! B# i/ \' _( n2 b2 d) O
5 W8 }( ?9 D' @5 _  PCB板变形分为两种可能,1、PCB板加工过程的变形;2、PCB板贴装后的搬运,堆放,安装等过程的变形。% \8 n0 |; g. k# W  Q, M( K8 owww.audioapp.cn  audio app

1 t8 Y6 ~' s3 s/ Twww.audioapp.cn  audio app

  PCB板加工过程的变形原因非常复杂,可分为热应力和机械应力两种应力导致。其中热应力主要存在于压合过程中,机械应力主要存在PCB板堆放、搬运、烘烤过程中。% w9 E% G4 ^# L4 @+ W0 awww.audioapp.cn  audio app

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  PCB变形的原因总结
$ H! L" {+ m; Y1 ~& d5 E) a/ j5 a" i1 g* y' ^- |6 Twww.audioapp.cn  audio app

  电路板上的铺铜面面积不均匀,会恶化板弯与板翘,是PCB设计师需要认真考虑的问题;' @8 b3 M7 `' }. u2 z. ^- z8 N. A2 qwww.audioapp.cn  audio app

$ `2 J- k- e$ ^* g4 _) Rwww.audioapp.cn  audio app

  电路板上各层的连结点(vias,过孔)会限制板子涨缩,由于高速集成芯片的使用,HDI-PCB的出现,在实现高速电路图时,过孔、走线,在PCB设计图中不可能均匀分布。所以此点不可避免;
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  V-Cut的深浅及连接条会影响拼板变形量,针对分布式KVM传输器的电路板是没有使用V-Cut工艺的,所以不存在此点问题;4 ^0 j2 r5 s' N2 ^# q1 \3 xwww.audioapp.cn  audio app


5 P/ G. G9 @& w( Z: c  电路板本身的重量会造成板子凹陷变形。分布式KVM传输器的电路板上,带有2个70X35(mm)的散热片,这2个超重的器件严重造成了电路板的变形,使得KVM传输器电路板存在故障隐患;
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 楼主| 发表于 2019-4-25 10:46:49 | 显示全部楼层
压合材料、结构、对板件变形的影响。PCB板由芯板和半固化片以及外层铜箔压合而成,其中芯板与铜箔在压合时受热变形,变形量取决于两种材料的热膨胀系数(CTE),此为电路板基材的选择对线路板造成影响。简单点来说,我们主要了解高TG板材,和普通板材的区别就能很好的理解。高TG电路板当温度升高到某一区域时,基板将由"玻璃态”转变为“橡胶态”,此时的温度称为该板的玻璃化温度(TG)。也就是说TG是基材保持刚性的max高温度(℃)。也就是说PCB基板材料在高温下,不但产生软化、变形、熔融等现象,同时还表现在机械、电气特性的急剧下降。一般TG的板材为130度以上,高TG一般大于170度,中等TG约大于150度。基板的TG提高了,印制板的耐热性、耐潮湿性、耐化学性、耐稳定性等特征都会提高和改善。TG值越高,板材的耐温度性能越好。由于阻焊油墨固化时不能互相堆叠,所以PCB板都会竖放在架子里烘板固化,阻焊温度150℃左右,刚好超过中低TG材料的TG点,TG点以上树脂为高弹态,板件容易在自重或者烘箱强风作用下变形。普通板热风焊料整平时锡炉温度为225℃~265℃,时间为3S-6S。热风温度为280℃~300℃.焊料整平时板从室温进锡炉,出炉后两分钟内又进行室温的后处理水洗。整个热风焊料整平过程为骤热骤冷过程。由于电路板材料不同,结构又不均匀,在冷热过程中必然会出现热应力,导致微观应变和整体变形翘曲。而我们部分PCB板之前采用的是一般TG的基板,所以也可能存在造成PCB板变形的隐患。6 I4 e  K& c4 dwww.audioapp.cn  audio app


, e; N. q' ^6 A! z  此外PCB电路板,在存放,搬运,堆叠放置等过程中,也是会容易造成机械变形的,尤其是对于2.0MM一下的板子影响更为严重,而我们分布式KVM传输器的电路板的板厚为1.6MM。除了以上因素外,影响PCB变形也包括了环境因素。
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1 I! |6 F5 {, d) K" Y/ K8 [  PCPCB板变形的改进优化措施
6 [9 P4 P' ^! h0 ^9 ], y
! {5 e# S# c9 L' h' |  在电路图PCB设计阶段,严格遵守板层对称性的原则。相对称的铜箔,应注意把控差不多或者相同的残铜率,*在空余的地方都补上铺铜。尽量避免在生产压合过程中因此造成翘曲。$ b2 r) K1 {  s" w3 F* R" zwww.audioapp.cn  audio app

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  由于各层的连结点(vias,过孔)会限制板子涨缩,所以,在HDI-PCB板上,要在空余的地方尽可能均匀放置一些地过孔,且板边应尽可能均匀间隔打上缝边孔。或者在设计PCB电路图过程中,可以考虑使用更厚的板厚设计,以增强PCB板的刚性。尽量减少PCB板因热应力造成翘曲的可能性。' e% J) x* ]+ H- ]$ s8 N( Uwww.audioapp.cn  audio app


4 [- j# I1 S; @) O: X  在电路设计与产品设计的时候,还可以尽量缩小PCB的尺寸,以减少PCB板其自身的自重,避免在回焊炉中凹陷变形。且设计PCB时候,尽量使用PCB的长边作为工艺边,可以在过炉的时候,达到max低的凹陷变形量。
) [4 @# G5 u/ s0 |7 u$ s# y
5 u' H; J) _; v1 U4 [  可把PCB板上安装的体积与重量均较大的弹压性的铝制散热片更换为使用散热性能更为优良且体积与重量均较小的贴装铜制散热片。: ~3 {" ^4 A# n- `8 H- wwww.audioapp.cn  audio app

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  Husion对提供PCB板制造的供应商提出更高的生产工艺要求,譬如要求允许的*翘曲度为0.5%,甚至可以要求0.3%;譬如使用中TG的板材,甚至高TG的板材。
0 V& u7 n& u) D, k( W1 u- K8 v1 e/ N9 ]% f5 C* B. K7 Mwww.audioapp.cn  audio app

  使用过炉托盘治具来降低变形量了,过炉托盘可以降低板弯板翘的原因是因为不管是热胀还是冷缩,都能依赖托盘可以固定住电路板等到电路板的温度低于Tg值开始重新变硬之后,还可以维持住原来的尺寸。
( t' L+ q( k* A) C( }! W2 Y2 z6 Z- ~4 e7 n: y# C4 ^- u  Bwww.audioapp.cn  audio app

  加强贴装后的PCB板的存放,搬运,堆叠放置等过程中的保护措施。尽量做到密封包裹,泡面棉的厚度适中,堆叠放置应该竖立并排放置在平整的工作台上,即便有泡沫棉保护也尽量不要上下堆叠放置,或者被其他重物压着。长期放置还要注意防潮,防晒,防湿处理。
, n2 x) W* G4 U* Z5 Q& m6 V* N/ j2 h9 S+ bwww.audioapp.cn  audio app

  可能存在造成PCB板变形的隐患。
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  此外PCB电路板,在存放,搬运,堆叠放置等过程中,也是会容易造成机械变形的,尤其是对于2.0MM一下的板子影响更为严重,而我们分布式KVM传输器的电路板的板厚为1.6MM。除了以上因素外,影响PCB变形也包括了环境因素。
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 楼主| 发表于 2019-4-25 10:47:46 | 显示全部楼层
PCPCB板变形的改进优化措施
: U# A! n: |& @+ D
: @2 S" Z( N6 l  在电路图PCB设计阶段,严格遵守板层对称性的原则。相对称的铜箔,应注意把控差不多或者相同的残铜率,*在空余的地方都补上铺铜。尽量避免在生产压合过程中因此造成翘曲。3 a6 t9 u- A! i6 pwww.audioapp.cn  audio app


2 C6 E: S: Q/ x, v3 K4 b  由于各层的连结点(vias,过孔)会限制板子涨缩,所以,在HDI-PCB板上,要在空余的地方尽可能均匀放置一些地过孔,且板边应尽可能均匀间隔打上缝边孔。或者在设计PCB电路图过程中,可以考虑使用更厚的板厚设计,以增强PCB板的刚性。尽量减少PCB板因热应力造成翘曲的可能性。3 q0 o) J6 Y5 d% Cwww.audioapp.cn  audio app


- I) J" u/ }* y" Z  H; O  在电路设计与产品设计的时候,还可以尽量缩小PCB的尺寸,以减少PCB板其自身的自重,避免在回焊炉中凹陷变形。且设计PCB时候,尽量使用PCB的长边作为工艺边,可以在过炉的时候,达到max低的凹陷变形量。
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& i& b- N) k! L  可把PCB板上安装的体积与重量均较大的弹压性的铝制散热片更换为使用散热性能更为优良且体积与重量均较小的贴装铜制散热片。
/ U' i6 V8 q5 _) b5 @- g' _9 Q1 O6 p$ Kwww.audioapp.cn  audio app

  Husion对提供PCB板制造的供应商提出更高的生产工艺要求,譬如要求允许的*翘曲度为0.5%,甚至可以要求0.3%;譬如使用中TG的板材,甚至高TG的板材。" ]3 L$ i5 g, j/ @) qwww.audioapp.cn  audio app


8 k) a" g3 J4 n" i' q  使用过炉托盘治具来降低变形量了,过炉托盘可以降低板弯板翘的原因是因为不管是热胀还是冷缩,都能依赖托盘可以固定住电路板等到电路板的温度低于Tg值开始重新变硬之后,还可以维持住原来的尺寸。1 j  q" R# W0 `9 I$ m, Y6 w+ T) F- lwww.audioapp.cn  audio app

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  加强贴装后的PCB板的存放,搬运,堆叠放置等过程中的保护措施。尽量做到密封包裹,泡面棉的厚度适中,堆叠放置应该竖立并排放置在平整的工作台上,即便有泡沫棉保护也尽量不要上下堆叠放置,或者被其他重物压着。长期放置还要注意防潮,防晒,防湿处理。/ K/ \* d8 b" o+ m" V2 Swww.audioapp.cn  audio app

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  可能存在造成PCB板变形的隐患。- P; ~/ G2 I# h% K7 hwww.audioapp.cn  audio app


/ Y; e! x2 [$ R5 b1 l  此外PCB电路板,在存放,搬运,堆叠放置等过程中,也是会容易造成机械变形的,尤其是对于2.0MM一下的板子影响更为严重,而我们分布式KVM传输器的电路板的板厚为1.6MM。除了以上因素外,影响PCB变形也包括了环境因素。( _7 L5 `' D$ swww.audioapp.cn  audio app


$ j( R! l2 h/ r- {  PCB电路板是实现电子电路产品大部分功能的载体,也是个敏感且感性的宠儿,需要我们在日常生产与使用过程中细心呵护。
* n' A6 E/ F) J1 J+ V, {, U, k
& a# Q/ a& }& Z4 c  x0 Z& k  别小看这些细节,每一步小小的改变,都是产品品质的保证。
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