朱　拓　鄺許平　何　淼　闕玉龍（深圳崇達(dá)多層線路板有限公司，廣東　深圳　518132）

撓性板在層壓過(guò)程中的形變分析

朱拓鄺許平何淼闕玉龍
（深圳崇達(dá)多層線路板有限公司，廣東深圳518132）

由于撓性板的尺寸穩(wěn)定性難于掌控，以及剛撓結(jié)合板中撓性和剛性部分的性能差異較大，使得在層壓過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)撓性區(qū)和剛性區(qū)的漲縮不一致而導(dǎo)致內(nèi)層短路的缺陷。文章詳細(xì)分析了撓性板在層壓過(guò)程中的具體形變過(guò)程及影響因素。

撓性板；形變；層壓

1　前言

近些年，在傳統(tǒng)PCB板市場(chǎng)增幅有所放緩的情況下，撓性板和剛撓結(jié)合板的市場(chǎng)份額卻依然保持著高速增長(zhǎng)。剛撓結(jié)合板因其具備撓曲性、重量輕、體積小及可立體封裝等優(yōu)點(diǎn)［1］，使其在通訊、汽車(chē)、醫(yī)療、軍工、航空航天及家電領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。然而，剛撓結(jié)合板設(shè)計(jì)復(fù)雜及制作難度一直制約著其快速發(fā)展，其中剛撓結(jié)合板的層壓過(guò)程就經(jīng)常造成不可修復(fù)的層偏缺陷。行業(yè)內(nèi)不少科研工作者研究了傳統(tǒng)PCB板的層壓尺寸漲縮情況［2］-［4］，然而對(duì)剛撓結(jié)合板的層壓研究鮮有報(bào)道，而且大多實(shí)驗(yàn)工作只作實(shí)驗(yàn)結(jié)果的描述而缺乏深入的理論分析。與剛性板（硬板）相比，由于撓性板（軟板）自身的一些特性，使得其在尺寸穩(wěn)定性方面遠(yuǎn)遜于剛性板，在受到外力作用時(shí)很容易發(fā)生形變。相關(guān)的研究工作者研究了層壓機(jī)參數(shù)如壓力大小和溫度分布及其均勻性對(duì)撓性板尺寸穩(wěn)定性的影響［5］，但對(duì)于層壓過(guò)程由于壓機(jī)壓力及半固化片流動(dòng)和固化過(guò)程等導(dǎo)致的撓性板形變卻缺乏足夠的研究分析。另外，撓性基材聚酰亞胺形變的各項(xiàng)異性［6］，使其在MD（供應(yīng)商機(jī)械加工方向）和TD方向（垂直于MD方向）的形變不一致，也進(jìn)一步增加了撓性板形變分析的難度。研究撓性板在層壓過(guò)程中的具體形變對(duì)管控剛撓結(jié)合板層壓過(guò)程出現(xiàn)的層偏缺陷具有重要意義。

剛撓結(jié)合版在層壓時(shí)，在壓機(jī)參數(shù)一定的情況下，撓性部分在水平方向的形變受多個(gè)作用力的影響，有來(lái)自壓機(jī)鋼板的壓力、半固化片固化反應(yīng)的收縮應(yīng)力、硬板的抑制應(yīng)力、鉚釘?shù)囊种茟?yīng)力、高溫烘烤導(dǎo)致的收縮應(yīng)力、以及熱效應(yīng)引起的熱脹冷縮等等。這些影響因素交織一起共同作用于撓性板上，難于明確區(qū)分各個(gè)因素的影響機(jī)制。本文將傳統(tǒng)壓合分解成三種情況，即完全自由變形壓合（未添加半固化片、未鉚合）、半自由變形壓合（添加半固化片、未鉚合）、常規(guī)壓合（添加半固化片、鉚合），詳細(xì)分析了剛撓結(jié)合板在層壓過(guò)程的變形狀況，系統(tǒng)研究了在層壓參數(shù)一定的情況下，層壓壓力和半固化片的流動(dòng)、固化、數(shù)量等對(duì)撓性板形變的影響。

2　實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)流程依次為：開(kāi)料、烤板、圖形前處理、圖形制作、貼覆蓋膜、覆蓋膜快速壓合、烤板、尺寸測(cè)量、層壓、尺寸測(cè)量。在層壓工序前后對(duì)軟板進(jìn)行尺寸測(cè)量時(shí)，應(yīng)注意避免因軟板的吸濕特性造成尺寸變化的影響，采取的措施是盡量縮短烤板與層壓之間的等待時(shí)間。本文中所涉及的實(shí)驗(yàn)樣品（包括FR4硬板）在層壓前均通過(guò)烘烤處理，烤板溫度為150 ℃，烤板時(shí)間1 h。用光學(xué)二次元測(cè)量?jī)x對(duì)壓合前后的試樣進(jìn)行尺寸測(cè)試時(shí)，用玻璃板將軟板壓平放置，防止應(yīng)軟板的彎曲變形而引起的尺寸測(cè)量誤差。

軟板的線路制作為雙面線路，軟板圖形如圖1所示。軟板兩面圖形呈鏡面對(duì)稱(chēng)分布，圖1（a）和（b）的殘銅面積分別為50%和30%。其中，來(lái)自軟板材料供應(yīng)商A提供的A1和A2系列樣品采用圖1 （a）線路；軟板材料供應(yīng)商B提供的B系列樣品采用圖1（b）圖形。軟板的形變通過(guò)二次元尺寸測(cè)量?jī)x進(jìn)行表征，樣品漲縮萬(wàn)分比依據(jù)IPC標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算（IPCTM-650-2.2.4），如圖2所示。

圖1　軟板的線路設(shè)計(jì)圖形

圖2　IPC-TM-650-2.2.4

2.2實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)選用的硬板基材為供應(yīng)商C提供的覆銅板，經(jīng)蝕刻銅面后，F(xiàn)R4厚度為0.46mm；半固化片類(lèi)型為低流膠106半固化片；軟板基材采用軟板材料供應(yīng)商A生產(chǎn)的A1和A2系列、以及軟板材料供應(yīng)商B生產(chǎn)的B系列覆銅板，具體規(guī)格如表1所示。

表1　軟板基材規(guī)格

2.3實(shí)驗(yàn)參數(shù)

在進(jìn)行層壓實(shí)驗(yàn)時(shí)，層壓機(jī)的壓合參數(shù)如表2所示，層壓機(jī)的熱盤(pán)起始溫度保持在140 ℃，經(jīng)過(guò)鋼板和三合一覆形材料將溫度傳遞給試板。試板壓合結(jié)構(gòu)如圖3所示。

表2　層壓機(jī)壓合參數(shù)

圖3　層壓結(jié)構(gòu)示意圖

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

層壓過(guò)程中，軟板受力情況復(fù)雜，軟板的變形主要由以下幾種情況導(dǎo)致：

（1）軟板受到鋼板垂直壓力的作用，使得軟板在水平方向產(chǎn)生張應(yīng)力F1，在力F1的作用下，軟板尺寸發(fā)生漲的趨勢(shì)；

（2）半固化片在固化反應(yīng)過(guò)程中，半固化片的收縮使得軟板受到壓應(yīng)力F2，軟板尺寸發(fā)生縮的趨勢(shì)；

（3）鉚釘?shù)淖饔茫很洶搴陀舶逋ㄟ^(guò)鉚釘進(jìn)行固定，由于硬板的剛性明顯優(yōu)于軟板，因此，軟板的變形受到鉚釘?shù)囊种谱饔谩．?dāng)軟板尺寸縮小時(shí)，鉚釘對(duì)軟板的作用力表現(xiàn)為張應(yīng)力F3；反之亦然，軟板受到壓應(yīng)力F4；

（4）層壓在高溫下進(jìn)行，因此高溫過(guò)程對(duì)軟板有進(jìn)一步的烘烤作用，使得軟板尺寸有縮的趨勢(shì)，軟板受到收縮應(yīng)力即壓應(yīng)力F5；

（5）由于層壓過(guò)程存在的溫度梯度，軟板形變還受熱效應(yīng)影響，表現(xiàn)為熱脹冷縮。

以上各種作用力交織在一起，相互影響，各個(gè)力對(duì)軟板形變的影響程度難于區(qū)分。為了更好的分析軟板的形變過(guò)程，我們分解出以下幾種情況，分別討論軟板在層壓過(guò)程中的形變情況。

3.1光板FR4和軟板在壓合過(guò)程中的自由變形分析

由于在常規(guī)壓合時(shí)，軟板的變形受到硬板FR4變形的影響，硬板的形變?cè)谝欢ǔ潭壬蠈⑼ㄟ^(guò)半固化片和鉚釘傳遞給軟板，對(duì)軟板的形變起到一定的牽扯作用。因此，分析硬板在壓合過(guò)程中的形變對(duì)研究軟板的形變過(guò)程具有重要意義。下面分析在未添加半固化片和不鉚合的情況下硬板FR4和軟板的自由形變（未添加半固化片、未鉚合）情況。圖4是僅對(duì)光板FR4進(jìn)行層壓時(shí)FR4的尺寸漲縮萬(wàn)分比，實(shí)驗(yàn)樣品數(shù)量為5個(gè)。在此條件下，影響光板FR4的形變因素是：張應(yīng)力F1、烘烤效應(yīng)及熱脹冷縮。從圖中可以看出，光板的尺寸無(wú)論是經(jīng)向還是緯向都發(fā)生了微小的漲大，尤其是經(jīng)向的漲大幅度更低至0.003%左右，緯向的漲大萬(wàn)分比也很小，均在0.008%附近，在該過(guò)程呈現(xiàn)出高尺寸穩(wěn)定性。光板壓合后尺寸微漲主要是由于受壓機(jī)施加的垂直壓力導(dǎo)致光板在水面方向受到張應(yīng)力F1造成的。由于光板在壓合前經(jīng)過(guò)烤板處理，因此在此階段的烘烤效應(yīng)導(dǎo)致尺寸收縮的貢獻(xiàn)小于因F1的作用導(dǎo)致尺寸漲大的貢獻(xiàn)，即F1起主導(dǎo)作用。

圖4　FR4壓合自由變形下的尺寸漲縮萬(wàn)分

下面分析軟板在壓合自由變形（未添加半固化片和未鉚合）時(shí)其尺寸變化情況，選用A1和A2型號(hào)軟板各5塊樣品進(jìn)行壓合，軟板圖形選用圖1（a），自由變形壓合后其漲縮萬(wàn)分比如圖5和圖6所示。從圖5中可以看出，A1型號(hào)軟板在自由變形的情況下，壓合后其尺寸均出現(xiàn)了縮小的趨勢(shì)。從5個(gè)樣品在TD和MD方向的漲縮比來(lái)看，無(wú)論是在TD方向還是在MD方向均沒(méi)有出現(xiàn)明顯起伏，說(shuō)明試樣的穩(wěn)定性和均勻性較好。然而尺寸漲縮幅度在TD和MD方向則出現(xiàn)了明顯的差異，TD方向漲縮萬(wàn)分比非常小，平均值僅為-0.0047%，而MD方向漲縮萬(wàn)分比則達(dá)到-0.0223%。A2型號(hào)軟板壓合時(shí)的自由漲縮結(jié)果（圖6）和A1型號(hào)的結(jié)果非常接近，說(shuō)明在該條件下壓合時(shí)PI厚度25 μm的軟板與PI厚度50 μm的軟板在尺寸漲縮方面沒(méi)有明顯差異。在軟板自由變形條件下壓合時(shí)，和硬板一樣，影響光板FR4形變的因素主要是張應(yīng)力F1以及烘烤效應(yīng)的收縮應(yīng)力F5。從其最終尺寸收縮的結(jié)果來(lái)看，說(shuō)明高溫對(duì)軟板的烘烤效應(yīng)更加明顯，因此，軟板的形變由烘烤收縮起主導(dǎo)作用，即F5的作用對(duì)其形變貢獻(xiàn)更大。

由此可見(jiàn)，光板FR4在自由變形條件下壓合時(shí)在經(jīng)向和緯向均表現(xiàn)出了良好的尺寸穩(wěn)定性。而軟板在自由變形條件下壓合時(shí)，僅在TD方向表現(xiàn)出了良好的尺寸穩(wěn)定性，在MD方向的漲縮則達(dá)到0.0223%。與軟板相比，光板FR4較強(qiáng)的剛性使其在壓合過(guò)程中在外力的作用下仍然具有良好的尺寸穩(wěn)定性，不易變形。在添加半固化片進(jìn)行壓合時(shí)，由于軟板和硬板的尺寸漲縮不一致，軟板在壓合過(guò)程中的變形將通過(guò)鉚釘和半固化片的傳遞而受到硬板的抑制作用。下面分析壓合過(guò)程中半固化片對(duì)軟板和硬板的形變影響。

3.2半固化片對(duì)軟板和FR4的變形影響分析

現(xiàn)在分析壓合時(shí)添加半固化片后光板FR4和軟板的變形情況，為了避免鉚釘?shù)挠绊?，此時(shí)軟板硬板依然未用鉚釘鉚合。圖7是兩塊光板之間添加半固化片后光板FR4的壓合漲縮萬(wàn)分比，從圖中可以看出，半固化片的固化收縮導(dǎo)致FR4在經(jīng)向和緯向尺寸均有所縮?。欢医?jīng)向收縮幅度較大，5個(gè)樣品的平均收縮萬(wàn)分比為-0.0163%；緯向沒(méi)有明顯的收縮，其緯向平均收縮萬(wàn)分比僅為-0.0019%，在緯向依然保持著良好的尺寸穩(wěn)定性。此階段，半固化片的固化收縮對(duì)FR4的壓應(yīng)力F2起主導(dǎo)作用。

圖8是軟板添加半固化片與FR4壓合后軟板的漲縮萬(wàn)分比，實(shí)驗(yàn)所用的軟板為供應(yīng)商B生產(chǎn)的B系列產(chǎn)品，軟板線路圖形采用圖1（b）。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，壓合后軟板MD方向尺寸漲縮變化很小，雖有漲有縮，但漲縮萬(wàn)分比均在±0.006%以內(nèi)，軟板在MD方向保持了優(yōu)良的尺寸穩(wěn)定性；而TD方向的漲縮萬(wàn)分比卻很大，平均漲幅達(dá)到0.006%。從已報(bào)道的研究結(jié)果來(lái)看，半固化片固化過(guò)程通常都是使與半固化片發(fā)生粘合的材料尺寸發(fā)生收縮。前面的分析表明，在未添加半固化片的情況下，軟板自由變形進(jìn)行壓合后其尺寸在TD方向漲縮為-0.0047%，在MD方向漲縮萬(wàn)分比則達(dá)到-0.0223%。而添加半固化片后，居然出現(xiàn)了這么大的反差，究其原因，必然是半固化片的引入而導(dǎo)致的。鄧丹［7］等認(rèn)為，半固化片在受熱后熔化流動(dòng)過(guò)程中與板材之間沒(méi)有作用力，在半固化片固化收縮時(shí)才對(duì)板材施有壓應(yīng)力，使其尺寸收縮。其研究結(jié)果簡(jiǎn)化了壓合時(shí)半固化片的變化過(guò)程，只考慮到了半固化片在最后固化階段的收縮效應(yīng)，而忽略了固化前半固化片所處狀態(tài)對(duì)與之貼合材料也存在應(yīng)力的情況。半固化片在升溫熔化流動(dòng)時(shí)，已經(jīng)呈現(xiàn)出了粘性，在流動(dòng)過(guò)程中，對(duì)與之貼合的材料有一定程度的粘合作用，因此在半固化片完全固化之前，只要有流動(dòng)，在粘力的作用下，就會(huì)對(duì)與之貼合的材料產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力。而本實(shí)驗(yàn)的軟板正是受到這樣的一個(gè)拉應(yīng)力才發(fā)生變形使得尺寸漲大，而且從軟板漲縮程度可以判定，半固化片的流動(dòng)造成軟板尺寸漲大的效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于半固化片固化收縮時(shí)使其尺寸收縮的效應(yīng)，因此軟板尺寸在TD方向發(fā)生了較大的漲幅。與軟板自由變形壓合的漲縮結(jié)果對(duì)比，可以看出，當(dāng)軟板受壓應(yīng)力起主導(dǎo)作用時(shí)，其MD方向收縮幅度更大；當(dāng)軟板受拉應(yīng)力起主導(dǎo)作用時(shí)，軟板TD方向漲大幅度更大。另外，對(duì)比光板FR-4的形變（圖7）可知，軟板的形變受FR-4的抑制影響很小。根據(jù)以上的分析，在該條件下壓合時(shí)，當(dāng)半固化片受熱開(kāi)始流動(dòng)時(shí)對(duì)FR-4同樣也產(chǎn)生了拉應(yīng)力。而圖7的結(jié)果顯示，F(xiàn)R-4壓合后尺寸縮小，說(shuō)明半固化片流動(dòng)過(guò)程對(duì)FR-4的拉應(yīng)力造成的FR-4拉應(yīng)變小于半固化片固化收縮時(shí)對(duì)FR-4產(chǎn)生的壓應(yīng)變?？紤]到FR-4具有較強(qiáng)的剛性及受限于半固化片固化收縮的幅度有限，因此FR4的尺寸收縮并不算大。而軟板則不同，在受外力的作用下很容易發(fā)生形變，因此半固化片在流動(dòng)時(shí)對(duì)軟板的拉扯使其在TD方向形變顯著。而在半固化片固化收縮階段，軟板、半固化片、硬板已經(jīng)完全粘合在一起成為一個(gè)整體，此時(shí)軟板的變形完全受硬板的牽扯作用，故而半固化片固化收縮對(duì)軟板造成的收縮效應(yīng)有限。

圖5　A1型號(hào)軟板壓合自由變形下的尺寸漲縮萬(wàn)分

圖6　A2型號(hào)軟板壓合自由變形下的尺寸漲縮萬(wàn)分比

圖7　光板FR4添加半固化片壓合時(shí)的尺寸漲縮萬(wàn)分比（未鉚合）

綜上所述，在研究壓合過(guò)程軟板的形變時(shí)需要分兩階段來(lái)分析：第一階段為半固化片的流動(dòng)過(guò)程導(dǎo)致的軟板形變；第二階段為半固化片固化收縮造成的軟板形變。在第一階段由于軟板和硬板還沒(méi)有成為一個(gè)整體，軟板的變形受硬板的剛性影響很?。欢诘诙A段，軟板和硬板完全粘合固化為一體，因此該階段軟板的變形受制于硬板的形變。另外，以上分析還表明，軟板的TD方向抗縮性更好，而MD方向抗?jié)q性更好（圖8）。

圖8　軟板添加半固化片壓合時(shí)的尺寸漲縮萬(wàn)分比（未鉚合）

3.3添加半固化片鉚合后軟板變形分析

通常，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，剛撓結(jié)合版的軟板和硬板在壓合時(shí)是經(jīng)過(guò)鉚合的，下面分析在添加半固化片和鉚合的條件下剛撓結(jié)合版的軟板尺寸漲縮情況。圖9和圖10分別是軟板A1和A2型號(hào)在層壓后的尺寸漲縮萬(wàn)分比。其中，A1和A2型號(hào)軟板各選5個(gè)試樣，按試樣編號(hào)添加的半固化片數(shù)量依次為0、1、2、3、4張。從圖中可以看出，軟板的尺寸漲縮隨添加半固化片數(shù)量的不同并沒(méi)有呈現(xiàn)明顯規(guī)律性變化，說(shuō)明半固化片數(shù)量對(duì)其影響較小?？傮w上來(lái)說(shuō)，軟板的TD方向發(fā)生了漲大，但是漲大幅度明顯小于未鉚合情況下的漲大幅度，說(shuō)明添加鉚釘后，對(duì)軟板在TD方向的尺寸漲大起到很大的抑制作用；軟板在MD方向則有漲有縮，縮幅最大達(dá)到-0.0227%，漲幅最大為0.0065%。前面的分析表明，在未加鉚釘鉚合時(shí)，半固化片的流動(dòng)使得軟板TD方向形變漲大明顯，是由于此階段的軟板變形受硬板剛性影響很小。而將軟板和硬板鉚合后，在 半固化片流動(dòng)階段，雖然半固化片還未固化，但軟板和硬板已經(jīng)鉚合固定在一起了，此時(shí)半固化片流動(dòng)造成軟板的形變受到了很大的抑制作用。

圖9　A1型號(hào)軟板添加半固化片并鉚合層壓時(shí)的尺寸漲縮萬(wàn)分比

圖10　A2型號(hào)軟板添加半固化片并鉚合層壓時(shí)的尺寸漲縮萬(wàn)分比

4　結(jié)論

本文分析了剛撓結(jié)合板在層壓過(guò)程中撓性部分形變情況，將壓合過(guò)程分解成三部分以討論各因素對(duì)撓性板的形變影響。研究結(jié)果表明：

（1）在完全自由變形狀態(tài)下層壓時(shí)，撓性區(qū)在TD方向保持了良好的尺寸穩(wěn)定性，而MD方向則收縮幅度相對(duì)較大；

（2）在未鉚合條件下層壓時(shí)，半固化片流動(dòng)使得撓性區(qū)尺寸在TD方向漲大明顯，而MD方向則相對(duì)穩(wěn)定；

（3）在半固化片流動(dòng)階段，鉚釘對(duì)撓性區(qū)的形變抑制作用明顯；

（4）在半固化片固化收縮階段，撓性區(qū)的尺寸漲縮受制于剛性區(qū)的形變；

（5）在鉚合的條件下層壓時(shí)，半固化片數(shù)量對(duì)撓性區(qū)的尺寸變化無(wú)明顯影響；

（6）撓性區(qū)的TD方向抗縮性更好，而MD方向抗?jié)q性更好。

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［3］鄧丹等. 多層板層壓過(guò)程中的尺寸變形模擬［C］.印制電路信息， 2010/Z1.

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朱拓，研發(fā)部研發(fā)工程師，主要從事新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及制程能力改善工作。

Analysis of deformation on flexible board in lamination process

ZHU TuoKUANG Xu-pingHE MiaoQUE Yu-long

This paper introduced the diffculty of controlling the dimension stability of fexible board， and the large difference of performance between fexible and rigid board， which cause a defect of short-circuit exists in the inner layer of rigid-fex PCB in the lamination process. In this paper， the deformation of fexible board and its infuence factors were analyzed specifcally during lamination process.

Flexible Board； Deformation； Lamination

TN41

A

1009-0096（2015）09-0032-06