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覆铜板和PCB板翘曲成因与预防措施
覆铜板和PCB板翘曲成因与预防措施
CopperFoil&Laminate……………………………………………………
覆铜板和PCB板翘曲成因与预防措施
(广州太和覆铜板厂523071)曾光龙
摘要基板翘曲是覆铜板厂,印制电路板厂及相关用户极为关注的产品缺陷问题,基板产生翘曲的主要因素是应
力.应力的产生与树脂配方,设备条件,原材料种类,原材料品质,与覆铜板的生产工艺条件相关,也与PCB制程中PCB
线路分布均衡性,PCB制程及电子元器件安装条件等相关.所以,要解决基板翘曲也必须从上述各方面入手.
关键词基板翘曲覆铜板PCB
CausesandPreventionofCopperCladLaminateandPCB
Warpage
ZengGuanglong
AbstractPCBWarpageisadeepconcernedproductdefect.Themajorfactoris”stress”.”Stress’’isrelatedwith
resinformula,impregnationchemicalquality,PCBproductionconditions.ThedistributionofcircuitlineonPCBaswell
asthecomponentassemblycondition,Thus,tosolvethewarpageproblemwehavetoconsidertheabovefactors.
KeywordslaminatewarpagecoppercladlaminatePCB
覆铜板翘曲(以下简称基板翘曲)是覆铜板厂,
印制电路板厂及相关用户极为关注而又很不容易解决
的产品缺陷,它也是电子组装厂及相关用户极为关心
的问题.如在PCB制程中,基板翘曲影响PCB制程
的顺利进行(如丝印无法进行——挂破网或造成图形
变形,或在PCB自动生产线上会出现卡板现象等).
基板翘曲将使电子器元件自动插装与贴装操作
不能顺利进行,波蜂焊时基板翘曲使部分焊点接触不
到焊锡面而焊不上锡.基板翘曲除了可能使集成块接
点不能与PCB焊盘密合之外,因翘曲产生的应力,还
可能导致接点断裂而造成废品.对于已经安装了电子
元器件的PCB板进行切脚操作时,由于基板翘曲使基
板偏离其所在平面,使切脚刀不能很整齐地将电子元
器件的引脚切去,造成一些脚切不到,局部还可能出
;……..PrintedCircuitInformation印制电路信息2006No.4
现切到基板的状况.装上电子元器件以后,基板翘曲
也影响到电子装置的安装与使用,如PCB插不进插
座,即使插进去了也会接触不良.
近十几年来,由于CCL行业与原材料供应商的
共同努力,使覆铜板的平整度取得了较大的进步,但
仍不能完全满足用户,PCB厂和电子产品安装的要
求.像SMT及BGA的安装要求印制板的翘曲度小于
0.7%,虽然这一要求已远远高于国内外任何一个覆铜
板技术标准所规定的指标值,但甚至还有些PCB厂要
求覆铜板的翘曲度小于0.5%,小于0.4%,这种要求
对CCL厂的确很严峻.
由于造成覆铜板翘曲的因素相当多,它与原材
料的品质(树脂,基材等的品质),树脂配方,设备,
生产工艺条件,PCB线路图形分布均匀性,及PCB制
一■
~.同-I白一n’基~.铜箔与基
……………………………………………?
………
CopperFoil&Laminate…?
?
程生产工艺等因素相关.理论上是做不出绝对平整的
覆铜板,但用户的要求是必须保证的.在如此严格条
件下,如何使做出的覆铜板翘曲度达到用户的要求,
并且在制成PCB及其它相关产品以后的翘曲度仍能
达到用户的要求,需要各CCL厂不懈努力.
1名词定义.
翘曲指基板偏离其平台的变形,因检验标准不
同而有不同检测方法与不同技术指标.
二十世纪八十年代以前,国内覆铜板厂检测覆铜
板翘曲度是参照日本JISC6481标准——悬挂法.其
检测过程是用夹具将大张覆铜板挂吊起来,悬空检测.
测覆铜板的弓曲方法是夹挂覆铜板四条边中任
一
条边的中点部位,将板悬空,观察基板翘曲变形情
况.用刚性长直尺靠住板弯相对的两条边,用直尺测
量板弯最低点到靠尺之间最大垂直距离,该数值即为
该板的弓曲值.测量中变换夹挂点(即夹挂相邻的另
一
条边中点),测量板弯的最大垂直距离,取两次测
量的最大值为该板弓曲值.
测量扭曲是夹挂覆铜板四个角中的任一个角,
使其悬空,用刚性直尺靠住板弯相对的两个角,用直
尺测量板弯最低点到靠尺之间最大垂直距离,该数值
即为该板扭曲值.测量中变换夹挂点,即夹挂相邻的
另一个角,测板板弯最大垂直距离,取两次测量的最
大值为该板扭曲值.
由于此种测量方法与实际使用情况差异较大,
在CCL及PCB行业中均采用IPC测量方法.
2IPC—TM~65()弓曲与扭曲测试方法
IPC标准对基板翘曲的定义是:
(1)弓曲:
它是覆铜板或印制电路板类似于柱形
或曲球形状的一种变形.对于形状为矩形的覆铜板或
印制电路板,它的四个角位于同一平面上.
(2)扭曲:
它是矩形覆铜板或印制电路板在平行
于对角线方向的一种变形,其中一个角不包含在另外
三个角的平面上.
(3)弓曲测试方法:
将待测样品凸面向上置于
测试平台上(通常用厚的大理石或花岗石制成),并
对同一样品每一边的两个角提供足够压力,使其接触
到平台.用测隙规或塞规插入平台与样品下面之间,
测量样品与平台之间最大垂直距离,并计算样品弓曲
百分率:
R,
弓曲百分率=×100%
式中:
尺.——样品与平台最大垂直距离:
——
使样品与平台最大垂直距离的那条边接
触到平台时的长度.
(4)扭曲测试方法:
将待测样品置于测试平台
上,使基板任意三个角接触到平台.如果需要,则施
加足够压力于样品的一个角(即如果不管如何转动,
样品都只有二个角接触到平台,则施加压力于不接触
平台的二个角中的任一个角),以确保四个角中的三
个角接触到平台的表面,或翻转样品使其达到这个要
求.用测隙规或塞规插入到平台与样品下表面之间,
测量不接触平台的角与平台之间的最大垂直距离,并
计算样品扭曲百分率:
扭曲百分率=——×100%
2D
式中:
尺——样品不接触平台的角的最大垂直位移;
D——对角线接触到平台时的长度.
注:
该公式分母中包含系数2,是由于对平台的
一
个角施压使扭曲的垂直距离增加一倍(如果基板正
好是三个角接触平台,不需对不接触平台的两个角中
的任一个角施加压力,使其接触平台来测量.扭曲百
分率计算时分母是否需要系数2,标准中没有说明.实
际检测时有许多PCB厂不加系数2).
IPC标准中有一个基板扭曲测量的仲裁测量方
法,大概就是估计上述方法可能会有争议,所以对扭
曲检测专门增加了一条仲裁测量法.
(5)扭曲测量的仲裁方法:
将待测样品置于平台
上,使两个较低的相对的角接触到平台上,或将待测
样品置于与平台平行的平面上,用水平支撑物支撑另
两个角,以确保升起的这两个角与平台有相同的高
度.用测量仪测量样品从平台升起部分的最大高度,
记录为R.;不移动样品,测量与支撑物接触的其中一
个角的高度,并记录为R.计算样品扭曲百分率:
Ri—R2
扭曲百分率=——×100%
D
式中:
尺.一一最高翘曲角与平台距离;
尼——低角与平台距离;
D——样品最高翘曲角所在对角线接触到平台
时的长度.
:
在实际应用中我们发现不同厂家由于对翘曲
度定义的理解及测试方法理解不同,影响到测试结果
PrintedCircuitInformation印制电路信息2006一No.彳..
铜
;白
与
基
材
●
●_-●●_-●●●●●一
29
:
………?
CopperFoiI&Laminate……………………………………………………
:
的一致性和准确性.在实际操作时,建议采用如下操明显的是当在酚醛树脂中引入了桐油,合成了桐油改
铜作方法:
性酚醛树脂以后,由于桐油的分子链较长,柔顺性很
触
(6)弓曲测量:
遇~吊以~化冈Eta石或大理石作一平好,固化后制品内应力较小,因而使纸基覆铜板的平
I=1台,将要检测的层压板,覆铜板的凸面向上,平放于整度得到明显改善.在玻纤布基覆铜板上也不乏相似
与平台上,在自由状态下观察其四个角是否均接触到平范例,这里不一一列举.
苴台.此时可用两个适当重量的砝码(也有用手指)压
(2)树脂固化交联密度影响
住没有接触到平台的翘曲的角,及与之对应的角,以
免压住一个角时对角又翘起.此时覆铜板的四个角均
接触到平台,按弓曲测试方法用塞规测量样品下表面
与平台的最大垂直位移,计算样品的弓曲百分率;
有时候,有些样品翘起的两个对角在一个平面,
而另两个对角是在相反的另一个平面,用砝码也无法
使样品的四个角均接触到平台,这种情况可判定该样
品无弓曲,只测扭曲.
(7)扭曲测量:
将样品自由状态落于平台上,并
正反面翻转观察,如果是三个角接触到平台,一个角
翘起,用塞规测量翘起角下表面与平台最大垂直位
移,计算扭曲百分率;如果是只有两个角接触到平
台,可用适当重量砝码压住不接触平台的两个角中的
一
个,使三个角接触到平台,测量翘起角与平台间的
最大垂直距离,计算扭曲率.此时由于是施压使不接
触平台的两个角中的一个接触平台,使扭曲垂直偏离
增加一倍,计算扭曲率时分母应乘以2.如果样品的
四个角都同时接触到平台,翻转样品时,四个角都不
接触到平台,或只有一个角接触到平台,此时可判定
该样品无扭曲.
3基板翘曲的产生原因
造成覆铜板翘曲的因素很多,不论是纸基覆铜
板还是玻纤布基覆铜板,产生翘曲的主要因素都是应
力.应力的产生与树脂配方,设备条件,原材料种类,
原材料品质因素,覆铜板的生产工艺条件相关,也与
PCB制程中PCB线路分布均衡性,PCB制程及电子元
器件安装条件等相关.
3.1树脂配方影响
树脂配方的设计主要为树脂,固化剂,促进剂的
种类及用量的选用.应力的产生与树脂或固化剂分子
链的柔顺性,固化进程,树脂交联度与产品固化收缩
率等相关.
(1)分子链柔顺性影响
分子链比较短的树脂或固化剂的分子链柔顺性
比较差,制品容易翘曲.分子链比较长的树脂体系,
分子链柔顺性较好,其制品平整度也就比较好.最为
……..PrintedCircuitInformation印制电路信息2006No.4
树脂固化交联密度比较大的树脂体系,制品的
内应力也较大,产品在存放过程中因应力释放而将逐
步加大翘曲.或在PCB制程中,因受热或外力作用也
会使产品加大翘曲.这种状况,在耐高温覆铜板中比
较明显(为了提高制品耐热性,经常选用多官能基团
高分子材料,树脂固化交联密度提高,制品热分解温
度就越高,但也增大了制品内应力,此类覆铜板的翘
曲度相应也较大).
(3)固化进程影响
固化进程比较快的树脂体系(与固化剂,促进剂
的种类及用量相关,也与制品层压过程升温速率相
关),生产过程中由于应力来不及释放,使制品在存
放过程中或在PCB制程中因应力逐步释放而增大产
品翘曲.
(4)树脂体系的固化收缩率影响
树脂体系的固化收缩率越大,制品的内应力就
越大,制品越易产生翘曲.分子链比较短或交联密度
较高的树脂体系,其固化收缩率都比较大,所以其制
品也较易翘曲.
酚醛树脂是固化收缩率比较大的一类树脂.由
其制取的产品的翘曲度就比较大,所以现在很少用纯
粹的酚醛树脂制取覆铜板,多数采用改性酚醛树脂制
取覆铜板.
3.2原材料影响
原材料对层压板及覆铜板翘曲度影响可分为固
定因素和品质因素.所谓固定因素指该因素与所用材
料特性直接相关,所以说该因素是固定的.所谓品质
因素指与所用原材料的品质相关.
(1)固定固素
覆铜板主要由铜箔,基材(纸或玻纤布),粘结剂
组成的.覆铜板在热压成型时,经历了由低温一高温
一
冷却降温过程.以FR一4产品为例:
铜箔的热膨胀系
数CTE为1.7×10.5oC,双酚A型环氧树脂的CTE为
8.5×105oC,玻纤布的CTE为5.04×10-6℃.环氧树
脂的固化收缩率是玻纤布的十几倍,是铜箔的五六倍.
覆铜板在加热压合,降温冷却过程中,由于三大
一…………………………………………?
?
………
CopperFoil&Laminate………?
?
:
材料的热胀冷缩差异很大,而且玻纤布的纵向与横向
固化收缩率还有差异.这些差异势必使产品存在较大
内应力,而导致产品翘曲变形.
由于这些因素是固定的,导致覆铜板翘曲问题
很难完全克服.
对于以不同材料制的纸,其固化收缩率是不相
同的.如以棉纤维制取的纸的固化收缩率比以木纤维
制取的纸的固化收缩率大;以阔叶树制取的纸的固化
收缩率比针叶树制取的纸收缩率大,对基板翘曲度造
成不同程度的影响.
(2)原材料的品质因素
以纸及玻纤布为例,用不同厂家生产的纸或玻
纤布制得的覆铜板的翘曲度的差异很大.
在纸基板方面,纸的密度,厚度分布的均匀性,
对胶液的浸透性等技术指标,对覆铜板的翘曲度都有
很大的影响.不同造纸厂由于其所选取的纸浆不同,
或抄纸设备不同,抄纸生产技术不同,导致不同厂家
的纸的质量差异.用较差质量的纸生产的产品的翘曲
度就较大.
在玻纤布方面,以前FR.4用的玻纤布是用并股
加捻纱织造成的.加捻的纱存在很大应力,用这种布
生产的产品翘曲度比较大.
玻纤布在织布前需要先整经.在整经时,每条经
纱都需用张力控制仪使每条经纱的张力一致.由于张
力控制仪较贵,有些织布厂没有配置,导致玻布因张
力不一致,甚至出现布面有松紧边,”凸肚”等现象,
这些都会造成覆铜板翘曲变形.
自从出现了单股无捻纱,以及较有规模的玻纤布
厂整经时,均使用了张力仪调控每条经纱的张力,并
用喷气织机代替有梭织机以后,玻纤布的外观得到明
显改善.玻布面的松紧边,”凸肚”现象已基本不存在,
玻布质量大大提高,大大减小了制品的内应力,这才
使玻纤布基覆铜板的平整度得到明显改观,并使FR.
4型层压板,覆铜板翘曲度可达0.7%水平或更高水平.
其它材料对覆铜板平整度影响虽不及纸,玻布
基材那么明显,但用不同厂家的铜箔或树脂制得的产
品的平整度差异还是存在的.
3.3设备因素影响
对覆铜板平整度影响比较大的设备为上胶机和
热压机.
(1)上胶机张力的影响
基材在上胶机浸胶烘干过程中,基材受到两个
力作用,一个是基材受到设备牵引力,它是纵向的.
一
个是基材浸了胶烘干以后,树脂到达B阶有一定收
缩率,它与纵向牵引力相反.
上胶机牵引力越大,基材变形残留应力越大,对
覆铜板翘曲度影响也就越大.卜胶过程牵引力的存在
是绝对的,张力调节仪的使用只是减小了牵引力而以.
由于覆铜板用的玻纤布为平织结构,很容易被
拉变形.特别是当玻纤布的接头歪斜时,所造成的变
形更加明显.因此,对立式上胶机的张力的要求更高.
(2)上胶机缺少有效的粘度控制系统及计量辊精
度不高
半固化片树脂含量RC%均匀性依赖于胶液粘度
控制,供胶结构,计量辊精度.当半固化片的树脂含
量分布不均时,也会使热压后产品存在内应力,产品
容易翘曲变形.特别是当半固化片的一边树脂含量
大,另一边树脂含量小时更为明显.
(3)胶机烘箱横断面温度分布不均影响
上胶机烘箱横断面温度分布不均,造成半固化片到达
B阶进程不相同,如半固化片左边与右边GT值不同,
热压成型时其固化进程差异较大,而产生内应力,导
致产品翘曲变形.
(4)热压板温度分布不均影响
当热压板各处温度差比较大时,造成热压过程
产品各处固化进程不同,产生内应力,导致产品翘曲
变形.这种状况在热压板面比较大时更为明显,由于
产品中心部位与周边部位受热不同而使产品很容易翘
曲变形.(对于热压板面积达l200ramX2400ram以
上的大型热压机,当热压板中心温度稍为偏高时,产
品特别容易扭曲).
(5)层压方式影响
当前覆铜板生产都是采用上下挤压式层压机,
用这种层压方式生产产品,其中部受到的热量和压力
与产品四周有明显差异,使产品存在内应力而产生翘
曲变形.
3.4覆铜板生产工艺影响
生产工艺对覆铜板翘曲影响是多方面的,其中
比较主要的有:
(1)浸胶方式影响
提高胶液对基材浸透性,排除基材中的水份,填
满基材间隙,一直被认为是提高覆铜板平整度重要手
段之一.因而不同浸胶方式对覆铜板的翘曲度也就有
不同结果.
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3l
箔与基材;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;.
…,
CopperFoil&Laminate……………………………………………………
所谓不同浸胶方式指一次上胶还是两次胶,
对于一次卜胶有无予浸段及予浸的设备构造.通常,
两次上胶产品平整度优于一次_匕胶,用有予浸段,呼
吸段胶结构的设备生产的产品的平整度,优于没有
这一浸渍结构的产品.
(2)叠料方式影响
不论足纸基材或玻纤布基材,其纵向与横向物性
是不相同的.特别是玻纤布的纵向与横向物性差异更
大.如比较常用的7628型玻纤布,其经纱密度为44
根/英寸,而纬纱密度为31根/英寸.如果在叠料时
将半固化片进行交叉叠料,即半固化片纵,横向90度
交叉叠料.由于纵,横向化收缩率差异,使产品产
生较大内应力,使基板产生翘曲变形,而且容易扭曲.
这种情况在多层印制电路制作时更易发生,如当
多层板的内层板的纵,横向不一致时,或在切割半固
化片时没分清它的纵向与横向,导致半固化片纵,横
向混用时,复压的多层板就会产生翘曲.而且由于基
材纵,横向固化收缩率不一致,会导致各层孔位偏差.
(3)热压成型时单位压力太大
:
产品热压成型时,压力越大,制品内应力就越
大,制品就越容易产生变形翘曲.真空层压机由于可
以低压成型,所以用其生产制品翘曲度小于非真空层
:
压机生产制品.
(4)热压成型时升温速率与降温速率过快
:
热压成型时升温速率过快,使产品固化进程产
生应力来不及释放,产品容易翘曲变形.压制比较厚
:
的层压板时,这一情况更为明显.
:
高分子材料传热较慢,厚板传热所需时间更长,
若升温速率太快,由于基材受热不匀,势必产生较大
:
内应力,而现厚板翘曲度反而大于薄板情况.
:
高分子材料在降温过程中,经历了高弹态收缩
:
和玻璃态收缩,其中玻璃态收缩产生的内应力最大.
:
这也是每个BOOK外层板翘曲度大于内层板原因之
:
一,降温速率越快,这一现象越明显.
:
3.5其它因素
;
(1)基板吸湿性
:
基板吸湿性越大,基板越容易产生翘曲变形.防
潮包装不好,存放时间由较长的单面覆铜板,存放一
32段时间后其翘曲变形会更明显增大.
(2)铜箔分布不均匀性
:
如单面覆铜板,由于基板热膨胀系数与铜箔热
:
膨胀系数差异较大,使单面覆铜板翘曲度大于双向覆
;……..PrintedCircuitInformation印制电路信息2006No,4
铜板.两面铜箔厚度明显不同的双面覆铜板其翘曲也
会较大.
铜箔分布不均匀性对基板翘曲度影响也常出现
在PCBL,当PCB存在导电图形分布不均衡,或分
布不对称,或存在大面积导电图形并分布不均衡不对
称时,PCB容易翘曲.
(3)PCB制程中加工温度较高
PCB制程中加工温度较高,或PCB热制程中基
板摆放方式不当,使基板两个面受热不均匀都会造成
产品翘曲.
(4)外力作用造成基板翘曲
如覆铜板热压成型后,用人工拆板时,用力不当
造成基板翘曲(多数现在薄形产品』).覆铜板在
贮存在中摆放不当,如竖放或受重物压迫也会造成基
板翘曲变形.
基板在加工切割过程中,由于刀具不够锋利,或
进刀速度过快,刀具摩擦所产生的局部过热,也会产
生应力,会造成制品变形.
4基板翘曲的危害
基板翘曲变形使产品无法使用.在PCB方面,基
板翘曲会影响PCB制程顺利进行(如丝印无法进行或
在自动线卜会卡板);也会影响到电子元器件往PCB
卜安装,如基板翘曲会使Ic片的多脚尢法与所有焊
点接触:
基板翘曲会使安装好元件的引脚无法自动切
除等;基板翘曲变形可能使装卜电子元件的PCB插不
进电子装置的接插座,或造成插头接触不良,或不能
JII~N进入导轨;严重翘曲甚至可能造成电子元件相互
接触,影响整机质量等等.
此,基板翘曲不仅CCL厂很关注,PCB厂及
电子装置组装厂都十分关注.
5基板翘曲予防措施
IPC一410A标准对层压板的翘曲度的允许值为
1%,但当前不少客户要求0.7%甚至更低.由于造成
基板翘曲的因素很多.要有效地提高层压板的平整
度,可以从下列各项中去寻找预防措施与解决方案.
(1)从树脂配方入手
采用分子链比较长,柔顺性比较好的树脂及化
剂,这是克服基板翘曲重要手段.纸基覆铜板自从采
用了桐油改性酚醛树脂以后,有效地解决了覆铜板翘
曲问题,它为其它类型层压板与覆铜板提供了借鉴.
(2)认真选用好基材
在纸基覆铜板生产实践中我们发现,同样的胶
:
铜箔与基材:
..:
:
……………………………………………?
………
CopperFoil&Laminate………
液,同样的生产条件,采用不同生产厂家生产的纸来
生产覆铜板,用其中一些厂的纸制出的单面覆铜板竟
会从正翘变为反翘.根据这一现象,在纸基覆铜板生
产中,我们有意将翘曲度有差异的纸混用,分别上胶
混和叠料,发现可以制得平整度很好的覆铜板.其在
PCBr~lJ程中也很稳定,这一作法其它CCL厂可以借鉴.
玻纤布基单面覆铜板我们尚未发现变换不同厂
家基材,所制得覆铜板会从反翘变化到正翘情况.但
不同厂家玻纤布制得的覆铜板翘曲度有明显差异,材
料采购时应定向.
(3)严格控制各生产环节技术参数
在覆铜板生产过程中,严格控制各生产环节技
术参数,保证半固化片的树脂含量,流动度,凝胶化
时间的一致性,这是提高覆铜板平整性的必要措施.
其中流动度与凝胶化时间的技术指标的确定,是一个
技术性很强的问题,须经过大量的生产实践,积累数
据,才能找到一个较佳的控制指标与生产工艺条件
(当前有不少厂家采用流压仪来测量半固化片的技术
参数,其控制精度既高,而且可以作动态模拟层压过
程试验,优点很多).
(4)张力控制
基材上胶时,上胶机张力宜小不宜大,特别是用
于玻纤布上胶的立式上胶机的张力调节,更尤为重
要.玻纤布的接头不得歪斜(通常要求小于2.5%).
叠料时经纬不得交叉,不同厂家布不要混用,不同规
格布不要混用,不同厂家生产的半固化片最好都不要
混用.
(5)温度控制
产品热压成型时,如果用导热油加温最好,热压
板各处温差比蒸汽加热小.升温速率要适中,不宜过
慢,也不宜过快.注意半固化片的流动度,凝胶化时
间,并视层压产品品种与厚度作适量调节,尽量减小
流胶量.
如果热压板管路排布及热源进出口位置安排不
合理,也会造成热压板温度分布不均,会加大产品翘
曲,此时应改造热压板.
(6)层压菜单合理设计
合理设计层压过程中的予热温度,予热时间和
升温升压速率,是压好板,减少翘曲的关键点.垫板
纸的数量和松软度的影响也很大,一定要灵活应用.
不锈钢板的厚度和硬度对基板的翘曲也有一定
影
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