覆铜板三点弯曲试验与脆性表征研究

张君宝 任树元 吴小连

（广东生益科技股份有限公司，广东 东莞 523429）

0 引言

覆铜板生产过程中，检验板材弯曲性能通常采用IPC-TM-650 三点式加载法：将一定规格试样放置于两支座上，并在两支座的中间施加静弯曲力矩，使试样产生弯曲应力和变形；通过压力感应器、负荷及图形指示器测定试样在弯曲变形过程中的特征量，如弯曲强度、弯曲模量及载荷-挠度曲线。本文对各个样品的弯曲试验结果展开分析，探究其与材料脆韧性的关系。

1 试验材料与设备

1.1 样品准备

以S公司生产的不同型号FR-4覆铜板作为试验样品，分别取（A1、A2）、（B1、B2）、C1、C2、D和E这8种样品（见表1），其中括号内为同一树脂体系有/无填料的2 种产品。在实际应用中，A1被评为加工综合性能最佳样品；在试验测试及实际应用中，E是最脆样品；D是随机加入对比的样品。从树脂结构理论及实际加工应用方面预判8种样品的韧性排序为A1>A2>B1>C1>D>C2>B2>E。

表1 试验样品参数

1.2 测试方法与设备

（1）测试仪器：德国ZWICK 产Z005 材料试验机；

（2）测试参数：参考IPC-TM-650 中弯曲强度，测试速度为0.76 mm/min，跨距25.4 mm，样品尺寸为76.0 mm×25.4mm；

（3）试验条件：（23±2）℃；

（4）参考标准：IPC-TM-650，2.4.4层压板的弯曲强度（室温下）。

2 试验结果分析

2.1 弯曲强度测试与分析

按照IPC-TM-650 中的弯曲强度测试方法对各样品展开弯曲强度测试，测试数据按照下式计算，结果见表2。

表2 样品弯曲试验结果

式中：σf为试样的弯曲强度，MPa；P为试验过程中的最大载荷，N；L为跨度，mm，本试验所用的跨度为64 mm；b、d分别为试样截面的厚度和宽度，mm。

式中：Ef为试样的弹性模量，MPa；p为在负荷挠度曲线的线性部分选点的负荷，N；δ为负荷相应的挠度，mm。

2.1.1 样品经纬向弯曲性能对比

经向样品的弯曲强度和弯曲弹性模量均大于纬向弯样品，这与摆锤冲击情况相似，与覆铜板样品的经纬纱密度有关。

2.1.2 同树脂体系，有无填料样品弯曲性能对比

对于A1 与A2，以及B1 与B2 这2 组样品，无填料样品的弯曲强度大、弯曲弹性模量小，且挠度更大，而C1 与C2 这组样品弯曲强度和挠度基本一样，但C1 的弯曲弹性模量小于C2。根据弯曲应力曲线模型分析可得，无填料样品相对属于“D”型（硬而韧），含填料样品相对属于“B”型，即韧性排序为无填料样品>有填料样品。

2.1.3 不同树脂体系，无填料样品的弯曲性能对比

无填料不同树脂配方样品的弯曲强度排序为A1>B1>C1，对应的弹性模量大小排序为A1B1≈C1，依据弯曲应力曲线模型评判A1 属于“D”型（硬而韧），C1 相对属于“B”型（软而脆），B1处于两者中间，三者韧性排序为A1>B1>C1。

在实际印制电路板（printed circuit board，PCB）加工应用中，A1 韧性最好，B1 次之，C1最差，上述结果符合不同样品理论韧性推断及实际加工韧性表现。

2.1.4 样品弯曲性能对比

根据样品弯曲试验的测试结果进行经纬向综合排序，见表3。

表3 样品弯曲性能排序

A1>B1>C1>E 符合预期判断，但其他样品的韧性排序并不明显。由表1可知，A2、C1、C2、D 等样品的各项测试值差异很小，含填料样品因其填料种类和树脂体系不同，填料与树脂的共混性能有差别，玻纤布层间黏合力差异等对其弯曲性能均有很大影响，需要从更多角度进一步判断。

2.2 应力-应变曲线分析

在加载过程中，三点弯曲试验样品的应力-应变的曲线如图1所示。覆铜板常温下处于玻璃态（硬而脆），因此应力应变过程未出现屈服点。

图1 荷载力-应变的曲线

在高聚物拉伸试验应力-应变曲线理论中，当σ<σl时，应力-应变之间保持线性比例关系，比例系数（直线的斜率）为材料的弹性模量Ef（参考公式2），整个应力-应变曲线与应变坐标包围的面积是使材料断裂所需要的单位体积断裂能W，J/m3，其方程式如下：

式中：σb为拉伸断裂时应力，N；ε为拉伸应变距离，um。

这些物理量在弯曲试验中没有相关定义，参考断裂能的定义，采用弯曲载荷曲线与挠度坐标包围的面积评判覆铜板样品的相对脆韧性，将其定义为弯曲断裂能w，表达式如下：

为了更直观比较曲线包围面积，引入断裂能，由各样品弯曲试验载荷-挠度曲线所得弯曲断裂能结果见表4。

表4 试样弯曲断裂能

2.2.1 各样品经纬向弯曲断裂能对比

除B2 外，其他板材经向弯曲断裂能均大于纬向断裂能，这与经纬纱密度关系较大。

2.2.2 相同树脂体系，有无填料样品弯曲断裂能对比

对于A1 与A2，B1 与B2，以及C1 与C2 这3组样品，有填料样品的弯曲断裂能小于无填料的样品，可判断添加填料后的覆铜板样品韧性变差，这与弯曲试验应力-应变曲线模型判断相符。

2.2.3 不同树脂体系，无填料样品弯曲断裂能对比

断裂能排序A1>B1>C1，与弯曲强度等特征量判断韧性排序一致，韧性排序为A1>B1>C1，弯曲断裂能可作为弯曲试验各特征量的综合表现，但无法确定是否可以直接用于表征各样品的脆韧性情况。

2.2.4 所有样品弯曲断裂能对比

对比所有样品弯曲断裂能，排序见表5。

结合表3和表5可知，脆韧性相差较明显的样品，如A1、B1、C1、E 等，排序符合预判，且重现性较好；但对于C2、A2、D 等样品，排序不明显，主要因为该方法计算值属为近似计算值，其断裂能的数值接近，且受分层影响，所以较难准确区分。

表5 试样断裂能排序

3 结语

本文对各覆铜板样品展开三点弯曲试验，通过分析得出以下结论：

（1）添加填料后，样品的弯曲弹性模量得到提升，但同时弯曲强度及挠度均低于无填料样品，参考“弯曲应力-曲线模型”对其脆韧性评判结果可知，添加填料后样品韧性下降，与样品弯曲断裂能类似；

（2）无填料、不同树脂体系样品A1、B1 和C1的弯曲试验结果参考“弯曲应力-曲线模型”评判，其韧性排序为A1>B1>C1，与弯曲断裂能排序一致；

（3）参考“弯曲应力-曲线模型”对各样品的测试结果进行韧性评判，排序结果与各样品的弯曲断裂能的排序结果接近，但有填料样品之间的弯曲断裂能差异不大，尚无法精确排序；

（4）弯曲断裂能（或被称为弯曲断裂功）是弯曲试验中各特征量的综合表现，对脆韧性的评判有一定可行性。