基板材料对PCB残留应力的影响

hung

1．序言
1．1残留应力研究的重要性
    覆铜箔层压板（CCL），是由各种不同材料（如：树脂、增强材料、铜箔等）复合加工而成的。它在基板成型加工、PCB加工及其使用的环境下（特别是在温度变化下），会产生变形（主要是翘曲或扭曲变形）。这种变形的重要原因之一，是它所组成的各种层压材料的机械特性的差异，以及基板材料用树脂，在成型过程中的粘弹性行为所致。
    探究基板材料残留应力的发生机理及其降低对策，是覆铜板及PCB生产厂家所需研究的重要课题。而对这种研究工作的推进，无疑对覆铜板及PCB的平整性、可靠性的提高是十分有助的。我国PCB及其覆铜板业界，对此作了不少的研究工作。国内外专家、技术人员也发表了许多颇有价值的论文。[1][8]
    近几年日本金泽工业大学材料系统研究所与日本著名覆铜板厂家日立化成工业公司（以下简称：“金泽—日立”），联手就此问题做了很多深入的理论研究及实验。更值得关注的是：他们在近期发表的一些论文中[9]~{11}，提出了基板材料残留应力的有关力学模型，从中推导出基础数学公式。至此将此问题由定性化的研究转化为定量化的研究，把对此问题的认识引入到深的层次。
    本文以他们在此方面论文的内容为主线，对他们的这一成果加以介绍和分析。

1．2“金泽—日立”的研究过程与方法
    “金泽—日立”在基板材料对PCB的残留应力影响的理论研究，其过程如下：
    首先是研究覆铜板（主要指FR-4环氧玻纤布基CCL）的残留应力。覆铜板是由玻纤布增强树脂（简称GFRP）构成的半固化片，覆以铜箔（双面），通过层压（升温—加热加压—冷却）而加工成型的。因此可将其看成具有三层基本结构，即“铜箔—GFRP半固化片—铜箔”，经热加工的成型复合体。力学模型的建立，是依据虎克定律、麦克斯韦串联模型、开尔文并联模型等理论。
    其次，把该研究转向到多层板。他们把最简单的四层多层板，看作成由五层结构基板材料的复合体（即“铜箔—GFRP—内芯板—GFRP—铜箔”），并建立一个它的成型加工过程变化的力学模型。
    再次，在五层结构组成的多层板力学模型的基础上，推导出多层板的残留应力的数学公式。
    最后，再通过多种组合的样品实测它的残留应力，用其结果去证实所建立的残留应力的计算公式的科学性，说明它的实用性。

2．力学模型的建立
2．1  麦克斯韦模型和开尔文模型
    PCB基板材料由高分子树脂材料为主而组成的。这种高分子材料具有粘弹性变化（在加热中），可以借助于粘性体和弹性体的组合通过建立力学模型去描述它的粘弹性变化，也可以由此纯粹唯象地；。拟合出它的数学方程式。在对基板材料制作及加工过程中的残留应力的理论性研究中，按上述方法，起码可达到两个目的：一是表现在物理研究上，可以更加直观地分析材料变形、产生残留应力过程动态的行为规律；二是表现在数学研究上，可用更加简易的形式去记录材料的变形运动，以达到对它的残留应力的定量研究结论。[12]
    一个符合虎克定律的弹簧，能很好地描述理想弹性体的力学行为（见图1中a）。它的应变ε与应力δ成正比：
                      δ＝E•ε
    （其中E为杨氏模量，也就是弹簧系数、弹性模量）
    （l）未成型加工的力学模型。未成型加工的多层板（五层板）的力学模型，是以麦克斯韦模型理论和开尔文模型理论为基础而建立的。该力学模型中有四条力学变化分支模型。它们分别表示钢板（Plate）、半固化片（GFRP）、内芯板（简称IL）、铜箔（简称Cu）。未成型加工的多层板的力学模型，见图6的1图所示。它的各个影响因素在表1中所列。

zrj2005

不错！收下了！