不同覆铜板不对称混压翘曲研究

陈宇航 曾宪平 曾耀德 李 恒 余振中 罗元聪

（1.广东生益科技股份有限公司，广东 东莞 523000；2.国家电子电路基材工程技术研究中心，广东 东莞 523808）

0 引言

翘曲是多层印制电路板（printed circuit board，PCB）生产中最常见、最难解决的缺陷。随着PCB 行业与表面贴装工艺的发展，PCB 线路密集度越来越高，表面贴装的零件也越来越多，PCB自身的翘曲变形对贴装工艺的影响也越来越高［1］。如果PCB 翘曲严重，不仅给电子产品安装带来困难，还可能使元器件焊点为虚焊，导致返工甚至报废［2］。

随着高速材料的不断发展，材料性能在不断提升的同时，价格也在不断上涨。为了兼顾性能与成本，不同基材的混压板应用越来越广泛，即在信号层使用高性能的材料，在其他层使用低成本材料。国外一些原始设备制造商（original equipment manufacturer，OEM），如阿尔卡特（Alcatel）、IBM，很早就开始尝试进行高速板材与FR-4 板材混压加工的设计。国内混压技术的开发相对较晚，但随着市场竞争及成本压力的加剧，对高速板材与普通FR-4 混压应用在高速多层PCB上的需求会日益凸显。不同材料的性能间存在差异，进一步加剧了翘曲的问题。

1 原理分析

混压板的翘曲主要是在压合后产生的，PCB压合过程是将各个芯板与半固化片（prepreg，PP）叠合，使半固化片在高温下流动，固化为一个整体。此过程中存在升温（预热，流动）、保温（固化）和降温三个阶段。芯板在升温时，相互之间只有压力的传递，如膨胀尺寸差异，但没有黏合成一个整体，因此不会有应力的产生；在升温阶段后期，半固化片的树脂充分流动，固化产生了黏结作用，将材料黏结成一个整体，此时芯板与芯板间产生剪切力，相互间才有约束作用；当板材从固化温度降到室温后，因不同板材的收缩情况不同，会有应力产生，使其变翘曲。本文主要研究在不同材料、配本叠构下，材料间的翘曲差异。

2 实验部分

2.1 实验原材料

选择5 种不同材料制成覆铜箔层压板（copper clad laminate，CCL），分别命名为A、B、C、D、E。每种材料分别使用单张厚度51 μm（1035布）、76 μm（1078 布）、100 μm（3313 布）、127 μm（2116布）的PP。1035厚度较薄，因此使用2 张PP 制成CCL，另1078、3313、2116 布均使用1 张PP 压合成CCL，不同材料的X/Y方向的热膨胀系数（coefficient of thermal expansion，CTE）值如图1和图2所示。

图1 A/B/C/D/E的X-CTE值

图2 A/B/C/D/E的Y-CTE值

2.2 实验方案

2.2.1 不对称4层板模型

本文使用4 层板模型，在CCL 层面，研究不同材料、不同配本叠构混压板的翘曲情况，如图3所示。以A 材料为基准，将A 和B 等其他材料芯板蚀刻后，使用A 材料，取2 张1078 PP，两面附上光面铜箔进行压合。压合温度210 ℃，压合时间120 min，试验板尺寸为310 mm×400 mm。测试压合后板材的翘曲情况，研究不同材料/配本间的翘曲差异。

2.2.3 覆铜板性能测试

参照印制电路协会（institute for printed circuits，IPC）标准及生益科技企业标准的检测方法，对覆铜板进行性能测试，主要测试项目及仪器如下。

（1）CTE（X、Y轴）：热机械分析法（thermomechanical analysis，TMA）。

（2）翘曲度：钢尺测试。

3 结果与讨论

3.1 CCL基本物性测试

根据翘曲机理分析，固化温度（210 ℃）到室温的收缩量，可能会更好地表征出不同板材混压的翘曲情况，因此对不同材料进行相应温度的X/YCTE 测试，如图1和图2所示，A/C/E 的X/Y-CTE测试值较为接近，B/D的X/Y-CTE值较为接近。

3.2 4层混压板实验

3.2.1 A/B 4层混压板实验

使用图3 模型，考察A 与B 相同/不同配本间的翘曲情况，结果如图4所示。

图4 4层板A/B混压翘曲情况

由图4 可知，调整芯板叠层，PP 不变，B 材料的1035 布或1078 布搭配A 的3313 布，翘曲情况有明显降低，从X/Y-CTE 值来看，B 的1035/1078 布与A 的3313 布值更接近，因此在降温时收缩情况相近，说明B 与A 混压时，A 使用厚布（如3313、2116）搭配B 薄布（如1035、1078），可以有效降低整板翘曲度。

同时，由图4可知，当A/B材料使用相同配本时，混压板的翘曲高度较大，且均向A 面收缩，说明A 的收缩＞B，与图2 和图3 中在相同玻璃布的情况下，A 材料的CTE 值＞B 材料相对应。选取部分图片为例，如图5所示。

3.2.2 A与C/D/E 4层混压板考察

使用4 层板模型，考察A 与C/D/E 相同/不同配本之间的翘曲情况，结果如图6和图7所示。

由图6 可知，D 与A 相同配本时混压翘曲较大，更改配本后，D的1035和1078与A的3313搭配翘曲较小。

图6 4层板A/D混压翘曲情况

由图7 可知，A 与C 和E 相同配本混压，翘曲偏小（＜1.5 cm），与图2 和图3 中A/C/E 的X/YCTE测试值接近相对应。

图7 4层板A/C/E混压翘曲情况

3.3 基本物性与混压板翘曲关联性分析

综上，不同材料的4 层板混压翘曲高度差异与X/Y-CTE值相对应。将同一材料X/Y-CTE的X与Y方向取平均值，以A 与B/C/D/E 的X/Y-CTE 平均值的差值为横坐标，以翘曲高度为纵坐标作图，比较X/Y-CTE的差值与翘曲高度的相关性。X轴正值表示A 的CTE 值大于其他材料，负值表示小于其他材料。Y轴正值表示向A材料方向翘曲，负值表示向其他材料方向翘曲。将薄布（1035、1078）和厚布（3313、2116）分别作图，如图8 和图9所示。由图可知，其趋势线性拟合程度R2分别为0.872 5 和0.762 1（R2越接近1 其拟合程度越高），表面X/Y-CTE差值与翘曲高度有明显相关性。

图8 薄布X/Y-CTE差值与翘曲高度关系

4 结语

本文利用4 层板模型，研究不同材料、不同叠构在混压时的翘曲情况，并通过基本物性分析结合翘曲表现，找到了关键物性指标与翘曲高度的对应关系。

在不考虑其他因素（包括PCB 层压参数、残铜率等）的情况下，得出如下结论：材料的X/YCTE 与混压板翘曲存在明显对应关系，选用X/YCTE 相近的材料或配本（玻璃布）进行混压可有效降低翘曲。后续在PCB 叠层设计时，可利用此结论降低不对称混压板的翘曲度。