「香蕉板」的物理學：為何長PCB會翹曲及如何修復

你正站在一台10區回流爐的卸載口，觀看一條600毫米的LED燈條或一塊長型工業控制板從隧道中出來。板子的中間明顯下垂，甚至可能刮到網帶。更糟的是，板子肉眼看起來平整，但功能測試失敗。遠端的連接器有開路針腳，或中間的BGA顯示開路。

大多數工廠的第一反應是責怪熱曲線。邏輯似乎合理：如果焊錫無法潤濕或焊點開裂，肯定是爐子的設定錯誤。你叫來製程工程師。他們裝上熱電偶，減慢輸送帶速度以“延長浸泡時間”，並將峰值溫度提高5°C。

這就是“曲線陷阱”。它是長形組件SMT故障排除中最常見的錯誤。

如果板子物理上翹曲——像洋芋片一樣扭曲或像吊床一樣下垂——任何空氣調整都無法解決。你無法用熱曲線來對抗重力。你不能用“浸泡區”來調和熱膨脹係數（CTE）。當長板只在兩端或正中央失效時，爐溫曲線通常是無辜的。罪魁禍首是機械因素。

雙金屬條效應

要解決翹曲問題，停止將板子視為電氣互連，改為將其視為機械層壓板。PCB本質上是玻璃纖維增強環氧樹脂（FR4）和銅箔的三明治。這兩種材料在加熱時彼此相斥。

FR4以特定速率膨脹（以ppm/°C計）。銅的膨脹速率不同。在長而窄的板子上，這種不匹配會產生巨大的內部應力。但真正的麻煩始於堆疊不平衡。

以標準4層板為例。如果第一層覆蓋密集的信號線，第四層是實心銅接地層，你就創造了一個雙金屬條。當板子加熱到245°C的峰值回流溫度時，銅較多的一側限制膨脹，而樹脂較多的一側則想膨脹。結果是板子彎曲或扭曲。

這與“立碑效應”不同，後者是小元件如0402一端豎立。與由潤濕力和不均勻焊錫拉力驅動的立碑效應不同，翹曲是基板本身移動的結構性失效。如果你看到板子角落翹起，這不是潤濕問題；而是銅布局與玻璃纖維的對抗，銅贏了。

重力與玻璃轉變

第二個敵人是材料本身。每種 FR4 層壓板都有一個玻璃轉換溫度（Tg）。低於此溫度時，樹脂是剛硬且像玻璃一樣的。高於此溫度時，樹脂變得柔軟、有彈性且順從。

對於標準的「高 Tg」材料，這個轉換大約發生在 170°C。然而，SAC305 錫膏直到 217°C 才開始熔化。這意味著在回流過程中最關鍵的部分——在液相以上停留的 60 到 90 秒——你的電路板實際上就像一根濕麵條。

如果你使用一塊長 600 毫米、厚度只有 1.0 毫米或 1.6 毫米的板子，且只在輸送帶的邊緣支撐它，重力就會起作用。樹脂在 170°C 軟化，板子失去結構剛性，中心部分向下塌陷。

工程師常嘗試改用低溫錫合金（如熔點為 138°C 的 BiSn）來避免這種情況。雖然這能讓你保持在某些材料的 Tg 以下，但會引入脆弱的接點，且無法解決剛性不足的根本問題。如果跨度夠寬，重力仍會擊敗即使是高 Tg 材料。板子會下垂，中心元件會被錫液淹沒或短路，靠近軌道的連接器會向內扭曲。

隱形犯罪現場

翹曲引起缺陷最令人沮喪的部分是，當你看到它時，證據已經消失了。

當板子在 245°C 的烤箱內時，它可能會向上彎曲（像皺眉）約 2 毫米。在這種狀態下，中心的 BGA 元件可能完全離開其焊盤。焊球熔化，但懸浮在空中，沒有接觸到 PCB 上的錫膏。它氧化並形成一層薄膜。

然後，當板子進入冷卻區時，樹脂再次硬化。板子彈回原本的平坦形狀。BGA 焊球落回焊盤，但已經太晚了。錫已經凝固。焊球像頭枕在枕頭上一樣停留在焊盤上。它有物理接觸，但沒有形成電氣連接。

這就是經典的「頭枕缺陷」（Head-in-Pillow，HiP）。在測試站，你按壓晶片它會通過。你放開，它就失效。X 光看起來正常，因為焊球形狀是圓的。只有在進行破壞性測試，如「染色撬開」或截面分析時，你才會看到微觀的間隙。缺陷發生在最高溫度時，但板子在室溫下看起來無害。

機械修復（真正的解決方案）

既然問題是機械性的，解決方案也必須是機械性的。你無法用焊接曲線來修復剛性不足。你必須通過增加支撐來解決。

對於下垂的板子，最有效的解決方案是 中心板支撐（CBS）。大多數現代回流爐（如 Heller、BTU 或 Rehm 等廠商）都提供此選項。它是一條細鏈或一系列類似手煞車的銷釘，沿著隧道的正中央延伸。它物理支撐板子的中間，防止下垂。

如果你的烤箱沒有 CBS，或者底部元件阻礙使用鏈條，你必須使用回流托盤。

托盤是一種由複合材料如 Durostone 或 Ricocel 製成的夾具。這些材料價格昂貴——根據複雜度，定制夾具的價格可能在 $300 到 $800 之間 [[VERIFY]]——但它們熱穩定性高。在 260°C 不會翹曲。你將脆弱的 PCB 放入剛性的托盤中，托盤將其平整地帶過烤箱。

經理們經常對成本感到猶豫。他們說：「這是額外的消耗品。」「它增加了熱質量，所以我們必須放慢生產線速度。」這是事實。但將$500夾具的成本與報廢20%高價值工業控制板生產批次的成本相比較。托盤的投資回報期通常以天計，而非月。

設計緩解措施

如果你有幸在電路板布局之前參與，你可以在上游對抗翹曲。設計師工具箱中最強大的工具是「銅盜取」或平衡。

確保銅密度在堆疊中大致對稱。如果頂層是80%銅填充，底層應該類似。如果有大面積無走線的開放區域，添加浮動銅方格（盜取）網格以平衡CTE應力。這可防止雙金屬彎曲效應。

均勻的面板化也起作用。在斷開導軌上留下過多材料可能會成為加強件——或應力源，取決於玻璃纖維的紋理。

裁決

當你看到長板在兩端或中間失效時，停止生產線。不要調整區域溫度。不要減慢輸送帶速度。

問問自己：這塊板是平的嗎？測量彎曲度。查看銅的平衡。檢查層壓板的Tg等級。如果板子彎曲，你需要夾具或中心支撐。物理學在SMT過程中是無法被打敗的。你必須支撐電路板，因為樹脂肯定無法自行支撐。