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压合材料、结构、图形对板件变形的响分析
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压合材料、结构、图形对板件变形的响分析

作者:
来源:
电子工程专辑
发布时间:
2017/03/01 00:00
浏览量
PCB板由芯板和半固化片以及外层铜箔压合而成,其中芯板与铜箔在压合时受热变形,变形量取决于两种材料的热膨胀系数(CTE);
  
铜箔的热膨胀系数(CTE)为17X10-6左右;
  
而普通FR-4基材在Tg点下Z向CTE为(50~70)X10-6;
  
TG点以上为(250~350)X10-6,X向CTE由于玻璃布存在,一般与铜箔类似。
  
关于TG点的注释:
  
高Tg印制板当温度升高到某一区域时,基板将由"玻璃态”转变为“橡胶态”,此时的温度 称为该板的玻璃化温度(Tg)。也就是说,Tg是基材保持刚性的最高温度(℃)。也就是说普通PCB基板材料在高温下,不但产生软化、变形、熔融等现象,同时还表现在机械、电气特性的急剧下降。
  
一般Tg的板材为130度以上,高Tg一般大于170度,中等Tg约大于150度。
  
通常Tg≥170℃的PCB印制板,称作高Tg印制板。
  
基板的Tg提高了,印制板的耐热性、耐潮湿性、耐化学性、耐稳定性等特征都会提高和改善。TG值越高,板材的耐温度性能越好 ,尤其在无铅制程中,高Tg应用比较多。
  
高Tg指的是高耐热性。随着电子工业的飞跃发展,特别是以计算机为代表的电子产品,向着高功能化、高多层化发展,需要PCB基板材料的更高的耐热性作为重要的保证。以SMT、CMT为代表的高密度安装技术的出现和发展,使PCB在小孔径、精细线路化、薄型化方面,越来越离不开基板高耐热性的支持。
  
所以一般的FR-4与高Tg的FR-4的区别:是在热态下,特别是在吸湿后受热下,其材料的机械强度、尺寸稳定性、粘接性、吸水性、热分解性、热膨胀性等各种情况存在差异,高Tg产品明显要好于普通的PCB基板材料。
  
其中做好内层图形的芯板的膨胀由于图形分布与芯板厚度或者材料特性不同而不同,当图形分布与芯板厚度或者材料特性不同而不同,当图形分布比较均匀,材料类型一致,不会产生变形。当PCB板层压结构存在不对称或者图形分布不均匀时会导致不同芯板的CTE差异较大,从而在压合过程中产生变形。其变形机理可通过以下原理解释。
  
假设有两种CTE相差较大的芯板通过半固化片压合在一起,其中A芯板CTE为1.5x10-5/℃,芯板长度均为1000mm。在压合过程作为粘结片的半固化片,则经过软化、流动并填充图形、固化三个阶段将两张芯板粘合在一起。
  
一般情况下,材料从90℃左右开始流动,并在达到TG点以上开始交联固化,在固化之前半固化片为自由状态,此时芯板和铜箔处在受热后自由膨胀状态,其变形量可以通过各自的CTE和温度变化值得到。
  模拟压合条件,温度从30℃升至180℃,
  此时两种芯板变形量分别为
  △LA=(180℃~30℃)x1.5x10-5m/℃X1000mm=2.25mm
  △LB=(180℃~30℃)X2.5X10-5M/℃X1000mm=3.75mm
  此时由于半固化尚在自由状态,两种芯板一长一短,互不干涉,尚未发生变形。
  
压合时会在高温下保持一段时间,直到半固化完全固化,此时树脂变成固化状态,不能随意流动,两种芯板结合在一起.当温度下降时,如无层间树脂束缚,芯板会回复至初始长度,并不会产生变形,但实际上两张芯板在高温时已经被固化的树脂粘合,在降温过程中不能随意收缩,其中A芯板应该收缩3.75mm,实际上当收缩大于2.25mm时会受到A芯板的阻碍,为达成两芯板间的受力平衡,B芯板不能收缩到3.75mm,而A芯板收缩会大于2.25mm,从而使整板向B芯板方向变曲。
 
  
根据上述分析可知,PCB板的层压结构、材料类型已经图形分布是否均匀,直接影响了不同芯板以及铜箔之间的CTE差异,在压合过程中的涨缩差异会通过半固化片的固片过程而被保留并最终形成PCB板的变形。