2022/10/22 下午2:05 双面板翘曲改善研究
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双面板翘曲改善研究
Research and improvement of PCB double-sided
boards warpage
何思良 宋祥群 黄杰 苏晓锋
生益电子股份有限公司
摘要:随着PCB高密度、高集成化的发展，PCB上图形间距越来越小，为避免SMT偏
位、锡膏短路等问题，对PCB翘曲度提出了越来越高的要求。文章从CCL和PCB加工
过程受力变化的角度，分析了双面板翘曲产生机理。并通过释放CCL板料内应力、优化
PCB设计、减小PCB加工过程外加应力、释放PCB应力等方式对双面板翘曲进行改
善。
关键词: 双面板 翘曲 受力变化 应力释放
作者简介:何思良，湖南科技大学硕士研究生毕业，生益电子股份有限公司高级工程
师，主要从事生产工艺专项跟进、管理工作。
He Siliang Song Xiangqun Huang Jie
Su Xiaofeng
Abstract:With the development of high density and high integration of PCB, the
graphic spacing on PCB is becoming smaller and smaller. The requirement of PCB
warpage is becoming more and more strict to avoid the solder paste short circuit.In
（期刊）
印制电路信息
2022(S1)
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0前言
this paper, the mechanism of double-sided board warping is analyzed from the side of
force variation during CCL and PCB processing. The warpage of double side board
was improved by releasing the internal stress of CCL, optimizing PCB
design,reducing the applied stress during PCB processing and releasing PCB stress.
Keyword: Double-Sided Board Warping Stress Change Stress
Release
Paper Code:S-030
在自动化表面贴装线上，电路板翘曲会导致定位不准、元器件无法插装或者贴偏，甚至会撞坏
自动插装机。目前贴装技术正朝着高精度、高速度、智能化方向发展，这就对PCB的平整度提出了
更高的要求。在IPC标准中有明确要求表面需贴装器件的PCB，翘曲度需≤0.75%。但实际上，为满
足高精度和高速度贴装需求，部分贴装厂家，对翘曲度的要求更严格，部分产品甚至要求翘曲度
≤0.5%。
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1 试验方案
1.1 试验物料、设备
表1 试验物料及设备
1.2 试验设计
图1 流程设计
1.3 失效机理分析
CCL是由铜薄、树脂、玻布等材料组成，各材料物理和化学性能均不相同，压合在一起后必然
会产生应力残留。同时在PCB加工过程中，会经过高温、高湿、机械钻、切等流程，也会对PCB的
变形、翘曲产生重要影响[1]。导致PCB变形、翘曲的因素复杂多样，如何减少或消除由于材料特性
或者加工引起的形变，成为PCB厂家面临的复杂问题之一。
当前双面天线板大多为一面大铜皮，一面线路，存在较大残铜率差异，导致加工过程和成品均
有较大翘曲度，尤其是高频板料均基本都是采用较薄的玻布制作，翘曲度更大。文章通过对双面板
受力分析，对CCL自身应力和PCB加工过程中受到的外加应力进行分析、改善，大幅度降低产品翘
曲度，提升产品良率。
试验板模拟实际天线产品，CS面设计为不连续的天线图形，SS面设计为连续的大铜皮；流程
设计为树脂塞孔、POFV，过程需3次磨板。
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图2 CCL截面图
1.4 改善试验
1.4.1 CCL DS改善
CCL是用树脂固化后形成的三维网状结构的复合材料。冷却时高分子链自由活动度积聚降低，
分子因收缩过快来不及空间重构，便在交错拉伸的状态下被“冻结”，所以CCL内均存在不同大小的
树脂应力；此外在PP制作过程中玻布是在拉伸状态下被“冻结”，所以玻纤中也存在较大的应力，尤
其是经向。CCL在铜箔、树脂、玻布三者的相互作用力下达到平衡。在双面板加工过程中热处理会
导致树脂受热软化，玻布和树脂均呈现收缩趋势，而铜箔起到阻止其收缩作用[1]；在机械磨板过程
中，铜箔、树脂和玻布均在外加作用力下呈伸长趋势；制作外层图形后，局部铜层被蚀刻掉，打破
原有受力平衡，呈现出收缩趋势。
SD双面板由玻布、树脂（包含填料）、铜箔组成，在三者相互作用力下达到平衡，表现出
较平整的状态。其DS为负值，约-500×10-6～-800×10-6，所以其平衡系统由玻布+树脂的收缩力和
铜箔拉伸力构成。但是试验产品两面图形存在较大差异，CS面残铜率约60%，为不连续铺铜，SS
面残铜率约90%，为连续铺铜，所以蚀刻后存在两面受力的不均衡，产生翘曲。阻焊烘板过程，玻
纤应力进一步释放，收缩，残铜率越低一面收缩程度越大，翘曲进一步加剧。此外，该板加工过程
存在5次磨板，而外加的机械应力会将铜箔、玻布+树脂均拉长，在蚀刻和烘板过程均会有不同程度
的释放，进一步加剧翘曲。
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表2 CCL DS改善试验
1.4.2 CCL内应力改善
表3 CCL内应力改善试验
1.4.3 外应力改善
表4 外应力改善试验
1.4.4 PCB应力释放
DS为负值说明蚀刻后该板料呈现收缩趋势，若在PCB加工前通过一些热处理，释放玻布应
力，将DS变为0或者正值，则蚀刻后不会呈现收缩趋势，进而达到改善翘曲的目的。
在CCL制作过程中，通过对压合程序的调整，如：延长降温、降压时间等方式，可有效减小应
力残留，改善翘曲。
双面板加工过程中的机械磨板，会将铜箔、树脂和玻布均拉长，尤其是延展性较好的铜箔，改
变CCL中原有的应力平衡，玻布的收缩应力会更大。通过减少磨板次数、单面磨板等方式降低外加
应力的影响，进而改善翘曲。
PCB的翘曲度取决于本身设计的对称情况（叠层、图形等）和加工过程中受到的外加应力的综
合影响。从产品设计和加工过程受力情况上找到平衡点解决翘曲问题往往比较困难。在产品加工过
程中的不同阶段对其进行热处理，释放PCB中应力，对其翘曲会有较好的改善作用。
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表5 PCB内应力改善试验
1.4.5 拼板设计
2 试验结果
2.1 CCL DS改善
2.1.1 DS改善测试
表6 CCL DS改善试验
单元板C面和S面存在约30%残铜率差异，蚀刻后出现往C面翘曲情况，可通过阴阳拼板、增加
C面铺铜等方式减小残铜率差异，改善翘曲。如上图所示，改为阴阳拼板、增加铺铜后两面残铜率
基本一致约80%，以单元板翘曲度和合格率为改善效果评价标准。
采用烘板和预压方式对CCL进行预处理，改变其原理的应力平衡，进而改变其DS，达到改善
双面板翘曲的目的。
参考IPC标准中尺寸稳定性测试方法，对经过不同处理的CCL进行DS测试，为体现大板实际情
况，测试尺寸采用PCB实际生产尺寸18"×24"。
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图3 DS改善及测试过程尺寸变化
2.1.2 DS对双面板翘曲影响
表7 DS对翘曲影响
如上所示，DS为负值的CCL，蚀刻后均呈现出收缩趋势，烘板后进一步收缩；而DS为正值的
CCL，蚀刻后即呈现出伸长趋势，烘板后伸长趋势进一步加大；经过烘板、压合等高温预处理后，
CCL均有不同程度的收缩，收缩量越大，DS改善幅度越大；层压处理后，DS改善幅度大于烘板处
理；随着烘板和层压次数的增加，DS改善幅度逐渐增大。
产生以上现象的主要原因是在高温处理下，树脂软化，玻纤中收缩应力得到一定程度的释放，
所以在蚀刻后和烘板后收缩量减小、甚至呈现出伸长趋势。在层压过程中，高温温度更高，达到板
料Tg点，树脂软化程度更高，玻纤中应力释放更完全，所以预处理后收缩量大于烘板。此外，CCL
已经是经过一次压合，树脂已经经过一次较完全的固化，再次压合过程，树脂不会熔融、流动，只
会软化，所以层压过程铜箔、树脂会跟玻布一起进行收缩，并在高压下三者达到新的平衡。其中，
树脂呈膨胀趋势，而玻布仍然为收缩趋势，而铜箔则起到阻止树脂膨胀、玻布收缩的作用。所以经
过预处理CCL收缩量较大时，树脂的膨胀应力大于玻纤的收缩应力，蚀刻后会呈现出伸长趋势，烘
板后进一步膨胀；当CCL收缩量较小时，树脂膨胀应力小于玻布的收缩应力，蚀刻掉铜箔后呈现收
缩趋势，烘板后进一步收缩。
因DS为负值时，蚀刻后和烘板后均呈现出收缩趋势，所以本次试验仅采用DS为正值的CCL和
未处理的CCL进行对比。客户要求最大翘曲度≤1.13 mm，内部按照≤0.7 mm进行管控。
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图4 不同DS对应PCB加工过程尺寸变化及翘曲改善情况
2.2 CCL内应力对翘曲的影响
表8 CCL内应力对翘曲影响
图5 不同的CCL压合方式对应PCB加工过程尺寸变化及翘曲改善情况
从以上试验数据可知，通过将CCL本身DS调整到接近于“0”或者正值，蚀刻后和阻焊烘板后的
收缩量明显减小，其翘曲度和合格率均有明显改善。但是当DS为正值后，加工过程的收缩量和翘
曲度并不会随着DS值的增大而减小。主要是因为CCL的预压处理仅改善其内应力，但是在加工过
程还会受到磨板等处理的外加应力，以及烘板热处理释放部分内应力和外加应力。
通过多次高温处理可有效改善CCL的DS，达到释放内应力的目的，但是需多次压合，成本较
高。通过调整CCL压合程序，进行分段降温、降压或者延长降温、降压时间等方式，也可较好释放
内部应力改善翘曲。
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2.3 外应力对翘曲的影响
表9 外应力对翘曲影响
图6 不同的磨板方式对大板和单元板翘曲的影响
通过延长降温、降压时间，蚀刻和阻焊烘板后收缩量明显降低，翘曲改善明显。主要是因为延
长降温时间，降温速度放缓，树脂和玻布收缩应力释放较完全，蚀刻后树脂和玻布呈现出更小的收
缩趋势，翘曲也就相应改善。分段降温、降压，只是让温度和压力在较高水平保持时间相对延长，
但整体处理时间并未改变，所以改善效果相对较差。
从加工过程尺寸变化和翘曲度改善情况来看，延长降温、降压时间的方式可达到对CCL进行多
次预压的效果，且成本相对更低。
在PCB加工过程中的外加应力主要来自于磨板，通过减少磨板次数，或者在残铜率低的一面进
行单面磨板理论上可以对翘曲起到一定的改善作用。
通过取消部分磨板流程，大板蚀刻后翘曲度，成品翘曲度和合格率均有轻微改善，但是改善幅
度较小。主要是因为在正常生产情况下，树脂塞孔后的烘板会释放部分应力，而此时的PCB仍然为
对称结构，所以去毛刺和电镀后的磨板对翘曲的影响本来就较小，取消后也没有明显改善。增加单
面磨板后板面出现往SS面翘曲，但是蚀刻和阻焊烘板后的大板和小板翘曲度并没有明显改善，反
而有变差趋势。主要是因为该板CS面设计为不连续的普通，蚀刻后面铜无法形成有效支撑，所以
对翘曲并无明显改善；此外增加磨板后，PCB中树脂和玻布受到的外加拉力加大，蚀刻、烘板后释
放的应力更多，翘曲加大。
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2.4 释放PCB应力对翘曲的影响
表1 0 释放PCB应力对翘曲影响
图7 不同的热处理方式对翘曲的影响
在PCB加工的适当阶段对其进行有效的热处理，释放CCL内部应力和PCB加工过程的外部应
力，达到新的平衡。对PCB翘曲有较好的改善作用。
字符后层压返压6 h改善效果最好，其次为POFV后层压返压；层压返压方式改善效果明显好与
烘板和烘压；缩短层压热压时间到2.5 h，改善效果明显变差。
POFV后高温返压过程中，CCL中树脂软化，内部应力可以得到较好释放，同时铜层也会在钢
板、树脂的带动下一起进行涨缩，并在低温高压下固化达到新的平衡。但是在外层蚀刻和阻焊烘板
后仍然会存在一定的应力释放，所以改善效果略差于字符后返压。此外在POFV后返压，PCB处于
电镀铜完全包覆的状态，采用高温返压处理，存在较高的爆板风险，所以该方法不推荐使用。
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2.5 拼板设计对翘曲的影响
表1 1 拼板设计对翘曲的影响
图8 不同的设计对大板和单元板翘曲的影响
POFV后的高温烘烤可使树脂软化，但是没有钢板和缓冲材料带动表层铜的涨缩，所以蚀刻后
仍然会出现较大翘曲。这一点从处理后PCB的尺寸变化量差异就可以看出来。烘板后PCB收缩约
0.051 mm，但是层压返压后收缩约0.152 mil。
字符后返压虽然温度仅150℃，但是仍然会使板料软化，释放内部应力和外部应力，构建新的
平衡，所以改善效果较好。缩短热处理时间到2.5 h，翘曲改善效果明显变差，主要是因为热处理
温度相对较低，树脂软化程度相对较低，应力释放较缓慢，2.5 h应力释放不足，所以翘曲仍然较
大。
烘压虽然采用的参数与层压返压一致，但是烘压过程未加钢板、缓冲材料，应力释放相对较
差。此外，我司烘压机程序设定的2 H冷压实际只是关闭加热，压板结束后，板面温度仍然有约
100℃，相当于没有冷压，玻布一直处于收缩应力释放状态，释放压力瞬间仍然出现翘曲。
两面图形分布差异是导致双面板翘曲的主要原因。通过阴阳拼板，在基材区位置增加连续铺
铜，理论上可改善大板和单元板的翘曲。但实际改善效果与具体图形设计关系较大。
增加连续铺铜后大板翘曲度明显改善，但仍然较大；阴阳拼板对翘曲高度有一定改善，但是出
现了扭曲现象，可能是因为局部应力差异较大导致[2]；因单元内图形无法改变，所以单元板翘曲度
基本没有改善。
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3 结论
参考文献
[1]林金堵.翘曲度成因及对策[J].印制电路信息,1999,29-32.
[2]管术春,蓝春华,张鸿伟,谭小林.厚铜电路板翘曲影响因素分析与改善[J].印制电路信息2018,01-10.
学无止境，继续您的研学之旅吧！
双面板翘曲大多是因为两面图形差异较大导致。通过本文研究可通过释放CCL内部应力、减少
PCB外加应力以及成品的应力平衡重构等方式对其进行改善。
通过对CCL的多次压合可有效改善其DS，释放内部应力，改善翘曲，但该方法成本较高，对
CCL厂家和PCB厂家都不太适用；通过延长CCL降温、降压时间，降低降温、降压速度也可有效释
放CCL内部应力，达到改善翘曲目的，相对多次压合成本较低，在部分特定产品上可要求CCL厂家
按照该方法管控；减少PCB加工过程的磨板，对双面板翘曲也有较好改善作用；通过单面磨板、阴
阳拼板等方式对翘曲的改善效果与产品图形设计相关性较大，可根据实际设计考虑；在最后一次能
产生较大应力的磨板后对PCB进行高温、高压的返压，可较好的释放PCB中的应力，避免蚀刻及后
流程加工过程的翘曲，但该方法可能会导致爆板、分层，需根据板料、设计综合考虑；在阻焊后对
双面板进行一定时间的返压处理可较好的释放PCB内部和外部应力，重构应力平衡，也是一种较好
的处理方法，但是该方法需考虑对表观的影响。
End
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