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。

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。

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。

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。