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PCB廠家分享多層板抗振動設計與制造規(guī)范

  • 2025-07-08 11:03:00
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在汽車、航空航天、工業(yè)控制等領域，電子設備往往處于振動環(huán)境中。PCB 多層板作為電子設備的核心部件，其抗振動性能直接關系到設備的可靠性和使用壽命。一旦 PCB 多層板在振動環(huán)境中出現(xiàn)故障，可能導致整個電子設備癱瘓，造成嚴重后果。因此，深入了解 PCB 多層板的抗振動設計與制造規(guī)范，具有重要的現(xiàn)實意義。

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一、PCB 多層板振動失效的常見形式

在振動環(huán)境下，PCB 多層板可能會出現(xiàn)多種失效形式，這些失效不僅影響電子設備的正常工作，還可能帶來安全隱患。
焊點斷裂是最常見的失效形式之一。振動會使元器件與 PCB 板之間的焊點受到反復的應力作用，當應力超過焊點材料的疲勞極限時，就會出現(xiàn)裂紋，最終導致焊點斷裂。特別是對于 BGA、CSP 等封裝形式的元器件，其焊點數(shù)量多、體積小，在振動環(huán)境下更容易出現(xiàn)這種問題。例如，汽車發(fā)動機艙內(nèi)的電子控制單元（ECU），由于發(fā)動機的持續(xù)振動，ECU 內(nèi)部 PCB 板上 BGA 芯片的焊點很容易因疲勞而斷裂，導致 ECU 功能失效。
元器件脫落也是不容忽視的失效形式。一些體積較大、重量較重的元器件，如電容、電感、連接器等，在振動過程中受到的慣性力較大，如果固定不牢固，就可能從 PCB 板上脫落。在工業(yè)機器人的控制 PCB 板中，由于機器人在運行時產(chǎn)生強烈振動，若連接器的固定方式不當，就可能出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，導致信號傳輸中斷。
PCB 板本身的損壞同樣會發(fā)生。振動產(chǎn)生的應力可能使 PCB 板出現(xiàn)彎曲、變形，嚴重時甚至會導致 PCB 板開裂。多層 PCB 板的層間結合力在振動應力的反復作用下，可能會出現(xiàn)分層現(xiàn)象，影響 PCB 板的電氣性能和機械強度。例如，在航空航天設備中，PCB 板需要承受頻繁的振動和沖擊，若其抗振動設計不佳，就可能出現(xiàn)板體開裂或?qū)娱g分層，影響設備的正常工作。


二、PCB 多層板抗振動設計要點

（一）結構設計優(yōu)化

PCB 多層板的結構設計是提高其抗振動性能的基礎。合理的板厚選擇至關重要，板厚越大，PCB 板的剛性越好，在振動時的彎曲變形就越小。一般來說，對于振動環(huán)境較為惡劣的應用場景，如汽車、航空航天領域，PCB 板的厚度建議不小于 1.6mm。同時，PCB 板的尺寸也需要合理規(guī)劃，在滿足功能需求的前提下，盡量減小板的面積，因為較小的板在振動時產(chǎn)生的應力相對較小。
加強筋設計是增強 PCB 板抗振動能力的有效手段?？梢栽?PCB 板的邊緣或空曠區(qū)域設置加強筋，加強筋可以采用與 PCB 板相同的材料，通過增加局部厚度來提高板的剛性。例如，在 PCB 板的四周設置寬度為 5-10mm 的加強筋，能夠顯著提高 PCB 板的抗彎曲能力。

（二）材料選擇

選擇合適的材料是保證 PCB 多層板抗振動性能的關鍵。基材的力學性能對 PCB 板的抗振動能力影響很大，應選擇具有較高彈性模量、抗疲勞性能好的基材。目前，F(xiàn)R-4 基材因其良好的力學性能和性價比，在大多數(shù)場合得到廣泛應用。對于振動要求更高的場景，可以選擇增強型 FR-4 基材或聚酰亞胺基材，這些材料具有更好的抗振動和抗沖擊性能。
銅箔的厚度和類型也需要考慮。較厚的銅箔能夠提高 PCB 板的機械強度和導電性，在振動環(huán)境下，厚銅箔的抗疲勞性能更好。一般建議采用 1 盎司（35μm）及以上厚度的銅箔。此外，電解銅箔的韌性比壓延銅箔稍差，在抗振動設計中，壓延銅箔是更好的選擇，尤其是在高頻振動環(huán)境下。

（三）元器件布局與固定

元器件的布局對 PCB 多層板的抗振動性能有重要影響。應遵循 “重心低、分布均勻” 的原則，將重量較大的元器件布置在 PCB 板的中心區(qū)域或靠近固定點的位置，以減少振動時的慣性力和力矩。例如，將大型連接器、變壓器等重元器件安裝在 PCB 板的中心，避免將其布置在板的邊緣或角落，因為這些位置在振動時的位移較大，受到的應力也更大。
對于重量較大或高度較高的元器件，需要采用額外的固定措施?？梢允褂弥Ъ堋⒖鄣葘⒃骷潭ㄔ?PCB 板或設備外殼上，減少元器件在振動時的晃動。例如，在 PCB 板上安裝大型電容時，除了通過焊點固定外，還可以使用金屬支架將電容與設備外殼連接，增強其穩(wěn)定性。

（四）布線設計

合理的布線設計能夠減少振動對 PCB 板電氣性能的影響。布線時應盡量避免在 PCB 板的邊緣和拐角處布置重要的信號線和電源線，因為這些區(qū)域在振動時應力較大，容易出現(xiàn)導線斷裂。電源線和地線應盡量粗短，采用大面積鋪銅的方式，不僅能提高導電性能，還能增強 PCB 板的機械強度。
在多層 PCB 板中，層間布線的方向應交叉布置，例如頂層布線沿水平方向，底層布線沿垂直方向，這樣可以提高 PCB 板的抗彎曲能力。同時，過孔的設計也很重要，過孔應盡量均勻分布，避免集中在某一區(qū)域，過孔的數(shù)量和大小應根據(jù)實際需求確定，較大的過孔能夠提高層間的連接強度。

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三、PCB 多層板抗振動制造規(guī)范

（一）層壓工藝控制

層壓工藝是影響多層 PCB 板層間結合力的關鍵環(huán)節(jié)，良好的層間結合力能夠提高 PCB 板的抗振動性能。在層壓過程中，需要嚴格控制溫度、壓力和時間等參數(shù)。溫度應根據(jù)基材的特性進行設定，確保樹脂能夠充分流動和固化；壓力要均勻施加，保證各層之間緊密結合；時間則要足夠長，使樹脂完全固化。
在層壓前，應對半固化片和覆銅板進行預處理，去除表面的雜質(zhì)和水分，確保層間結合牢固。層壓后的 PCB 板應進行嚴格的質(zhì)量檢測，通過熱應力測試、剝離強度測試等方法，檢驗層間結合力是否符合要求。例如，剝離強度應不低于 0.7N/mm，以保證在振動環(huán)境下不會出現(xiàn)層間分層。

（二）鉆孔與電鍍工藝

鉆孔工藝的質(zhì)量直接影響過孔的可靠性，進而影響 PCB 多層板的抗振動性能。鉆孔時應選擇合適的鉆頭和鉆孔參數(shù)，保證孔壁光滑、無毛刺，孔徑偏差控制在 ±0.02mm 以內(nèi)。對于多層 PCB 板，應避免出現(xiàn)孔位偏移，確保過孔能夠準確連接各層線路。
電鍍工藝用于在過孔內(nèi)壁形成導電層，同時增強過孔與各層銅箔的結合力。電鍍時應控制好電流密度、電鍍時間等參數(shù)，確保過孔內(nèi)壁銅層均勻、厚度達標，一般要求銅層厚度不小于 20μm。此外，還可以采用沉銅工藝增強過孔的可靠性，沉銅層與銅箔之間的結合力應符合相關標準。

（三）表面處理工藝

表面處理工藝不僅影響 PCB 板的可焊性和耐腐蝕性，還對其抗振動性能有一定影響。常見的表面處理工藝有噴錫、沉金、OSP 等。沉金工藝能夠提供良好的焊點強度和耐腐蝕性，在振動環(huán)境下，沉金焊點的可靠性較高，因此在抗振動要求較高的 PCB 多層板中應用廣泛。
噴錫工藝成本較低，但其焊點的韌性相對較差，在長期振動環(huán)境下容易出現(xiàn)焊點疲勞。OSP 工藝的焊點強度較好，但耐腐蝕性稍差，適用于振動環(huán)境相對溫和的場合。在選擇表面處理工藝時，應綜合考慮抗振動性能、成本和使用環(huán)境等因素。

（四）組裝工藝

在 PCB 多層板的組裝過程中，焊接工藝是關鍵環(huán)節(jié)。應采用合適的焊接溫度和時間，確保焊點牢固可靠。對于 BGA、CSP 等元器件，應控制好回流焊的溫度曲線，使焊點形成良好的合金層，提高焊點的抗疲勞性能。例如，回流焊的峰值溫度應根據(jù)焊錫膏的特性設定，一般在 230-250℃之間，高溫持續(xù)時間控制在 30-60 秒。
對于插件元器件，波峰焊的工藝參數(shù)也需要嚴格控制，焊接溫度一般在 250-260℃，焊接時間為 2-3 秒，確保焊點飽滿、無虛焊。組裝完成后，應對焊點進行全面檢測，通過 AOI（自動光學檢測）、X-ray 檢測等手段，及時發(fā)現(xiàn)并修復不良焊點。

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四、抗振動性能測試與驗證

為了確保 PCB 多層板的抗振動性能符合要求，必須進行嚴格的測試與驗證。振動測試是最主要的測試方法，測試時將 PCB 板安裝在振動試驗臺上，按照相關標準（如 IEC 60068-2-6）設定振動參數(shù)，包括振動頻率、振幅、振動時間等。在測試過程中，通過監(jiān)測 PCB 板上的焊點、元器件和板體的狀態(tài)，評估其抗振動性能。
沖擊測試也不可或缺，沖擊測試模擬 PCB 板在運輸、安裝和使用過程中可能受到的瞬間沖擊，測試標準可參考 IEC 60068-2-27。通過沖擊測試，能夠檢驗 PCB 板在突然受力情況下的抗損壞能力。
除了整機測試外，還可以對 PCB 板的關鍵部位進行力學性能測試，如焊點的剪切強度測試、PCB 板的彎曲強度測試、層間剝離強度測試等。這些測試能夠從微觀角度評估 PCB 多層板的抗振動性能，為設計和制造提供改進依據(jù)。


PCB 多層板的抗振動設計與制造是一項系統(tǒng)工程，需要從設計、材料選擇、制造工藝到測試驗證等多個環(huán)節(jié)進行全面把控。在設計階段，通過優(yōu)化結構、合理布局元器件和布線，為 PCB 多層板的抗振動性能奠定基礎；在制造過程中，嚴格控制各道工藝參數(shù)，確保產(chǎn)品質(zhì)量；通過科學的測試與驗證，保證 PCB 多層板能夠在振動環(huán)境下穩(wěn)定可靠地工作。