混合材料壓合電路板翹曲的研究

歐偉標(biāo)

摘 要 通過碳氫化合物/陶瓷基材料（HydraCarbon/Ceramic）與FR-4材料混壓實驗，對混合材料壓合電路板翹曲的三個因素：線路層的殘銅率、高頻材料與FR-4材料的芯板厚度差、FR-4材料的Tg值，進行全因子試驗設(shè)計進行系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)這三個因素與混合材料壓合電路板翹曲的相關(guān)性。

關(guān)鍵詞 碳氫化合物/陶瓷基材料；高頻；混壓；翹曲

中圖分類號：TN41 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）09-0057-01

隨著電子通信技術(shù)的發(fā)展，通訊頻率越來越高，而高頻信號傳輸，需要采用低介電常數(shù)（Dk）、低介電損耗（Df）但價格昂貴的特殊材料，這些材料有氰酸脂、聚四氟乙烯/陶瓷基材料（PTFE/Ceramic）、碳氫化合物/陶瓷基材料（HydraCarbon/Ceramic）等高頻材料，通常，這些高頻材料的價格都比較昂貴，而降低成本是客戶提高產(chǎn)品競爭力的一種重要手段，因此，客戶在PCB結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用混合材料的疊層結(jié)構(gòu)，即必要的信號層采用高頻材料以滿足信號傳輸?shù)男枰?，其他線路層采用常規(guī)玻璃纖維環(huán)氧樹脂F(xiàn)R-4材料，我們稱之為混合材料壓合電路板。這樣的設(shè)計對成本控制極為有利，但也給電路板的生產(chǎn)過程帶來了其他的一些問題，其中的一個突出問題是電路板在多次焊接貼裝電子元件的過程中出現(xiàn)翹曲，造成虛焊、漏焊、無法繼續(xù)裝配等問題。

引起混壓結(jié)構(gòu)電路板翹曲的根源在于高頻材料與FR-4材料在層壓過程中的漲縮比例不同[1]，影響材料漲縮的因素有：各線路層的殘銅率、高頻材料與FR-4材料的芯板厚度差、FR-4材料的Tg值。本文主要通過碳氫化合物/陶瓷基材料（HydraCarbon/Ceramic）+FR-4混壓板件實驗，對這三個因素進行系統(tǒng)的研究，以期為解決混壓板件的翹曲提供一些思路。

1 實驗設(shè)計

1）疊層結(jié)構(gòu)。

############### 1/2層高頻材料 0.762 mm（碳氫化合

物/陶瓷基，第1、2層均為高殘銅率）

=============== FR-4半固化片2116 RC52%

=============== FR-4半固化片2116 RC52%

############### 3/4層FR-4材料芯板

2）因子與水平設(shè)計。

表1

因子

水平 FR-4材料Tg值 FR-4材料芯板厚度/mm FR-4材料層線路的殘銅率

① 低 0.43 0.15

② 高 0.6 0.85

設(shè)計L23全因子試驗。

2 試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

1）全因子試驗的結(jié)果，見表2。

2）各因子主效應(yīng)分析。

FR-4材料Tg值的效應(yīng)為0.1033，F(xiàn)R-4材料芯板厚度的效應(yīng)為-0.6138，F(xiàn)R-4材料層的殘銅率的效應(yīng)為-0.8372，這說明：材料Tg值對翹曲無明顯影響；R-4材料層的殘銅率、芯板厚度對翹曲有明顯影響，且均為負相關(guān)性。

表2試驗

編號 FR-4板料Tg/℃ FR-4材料芯板厚度/mm FR-4材料層的殘銅率 翹曲度/mm

A ① ① ① 2.183

B ② ② ① 2.1

C ② ① ② 1.905

D ① ① ② 1.778

E ① ② ② 1.041

F ① ② ① 2.03

G ② ② ② 0.84

H ② ① ① 2.6

圖1

圖2

芯板厚度影響翹曲度的原因在于0.43 mm芯板使用2張7628型玻璃纖維布，0.60 mm芯板使用3張7628型玻璃纖維布，2張7628的收縮比3張7628大，因而翹曲度更大。殘銅率影響翹曲度的原因在于銅面對芯板的具有束縛作用，減少FR-4材料芯板的收縮，使得FR-4材料的收縮程度與陶瓷基材料接近，從而減少兩種芯板的應(yīng)力差，達到降低翹曲度的效果。（圖1）

3）各因子交互效應(yīng)分析。

通過計算，F(xiàn)R-4材料Tg值*FR-4材料芯板厚度的交互效應(yīng)為-0.1687，F(xiàn)R-4材料Tg值*FR-4材料層的殘銅率的交互效應(yīng)為-0.1403，F(xiàn)R-4材料芯板厚度*FR-4材料層的殘銅率的交互效應(yīng)為-0.2872，F(xiàn)R-4材料Tg值*FR-4材料芯板厚度*FR-4材料層的殘銅率的交互效應(yīng)為0.0048，且交互作用P值未出現(xiàn)，這說明：三個因子之間無明顯的交互作用。

交互作用圖顯示：在低殘銅率情況下，普通Tg的翹曲度比高Tg的?。辉诟邭堛~率的情況下，兩者的無明顯區(qū)別；無論在何種情況下，用厚芯板的翹曲比薄芯板的小，在高TG材料方面更加明顯。（圖2）

3 結(jié)論

本文通過對殘銅率、芯板厚度、材料Tg值三個因素進行全因子設(shè)計試驗，確定殘銅率、FR-4材料芯板厚度對于碳氫化合物/陶瓷基材料（HydraCarbon/Ceramic）+FR-4混壓板件的翹曲具有明顯的影響作用，此類板件在資料設(shè)計時可根據(jù)本文的試驗結(jié)論進行優(yōu)化設(shè)計，以避免翹曲影響板件的焊接使用。

參考文獻

[1]華炎生，朱興華，等.PTFE高頻混壓板問題解析[J].印制電路信息，2010（S1）endprint

摘 要 通過碳氫化合物/陶瓷基材料（HydraCarbon/Ceramic）與FR-4材料混壓實驗，對混合材料壓合電路板翹曲的三個因素：線路層的殘銅率、高頻材料與FR-4材料的芯板厚度差、FR-4材料的Tg值，進行全因子試驗設(shè)計進行系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)這三個因素與混合材料壓合電路板翹曲的相關(guān)性。

關(guān)鍵詞 碳氫化合物/陶瓷基材料；高頻；混壓；翹曲

中圖分類號：TN41 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）09-0057-01

隨著電子通信技術(shù)的發(fā)展，通訊頻率越來越高，而高頻信號傳輸，需要采用低介電常數(shù)（Dk）、低介電損耗（Df）但價格昂貴的特殊材料，這些材料有氰酸脂、聚四氟乙烯/陶瓷基材料（PTFE/Ceramic）、碳氫化合物/陶瓷基材料（HydraCarbon/Ceramic）等高頻材料，通常，這些高頻材料的價格都比較昂貴，而降低成本是客戶提高產(chǎn)品競爭力的一種重要手段，因此，客戶在PCB結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用混合材料的疊層結(jié)構(gòu)，即必要的信號層采用高頻材料以滿足信號傳輸?shù)男枰?，其他線路層采用常規(guī)玻璃纖維環(huán)氧樹脂F(xiàn)R-4材料，我們稱之為混合材料壓合電路板。這樣的設(shè)計對成本控制極為有利，但也給電路板的生產(chǎn)過程帶來了其他的一些問題，其中的一個突出問題是電路板在多次焊接貼裝電子元件的過程中出現(xiàn)翹曲，造成虛焊、漏焊、無法繼續(xù)裝配等問題。

引起混壓結(jié)構(gòu)電路板翹曲的根源在于高頻材料與FR-4材料在層壓過程中的漲縮比例不同[1]，影響材料漲縮的因素有：各線路層的殘銅率、高頻材料與FR-4材料的芯板厚度差、FR-4材料的Tg值。本文主要通過碳氫化合物/陶瓷基材料（HydraCarbon/Ceramic）+FR-4混壓板件實驗，對這三個因素進行系統(tǒng)的研究，以期為解決混壓板件的翹曲提供一些思路。

1 實驗設(shè)計

1）疊層結(jié)構(gòu)。

############### 1/2層高頻材料 0.762 mm（碳氫化合

物/陶瓷基，第1、2層均為高殘銅率）

=============== FR-4半固化片2116 RC52%

=============== FR-4半固化片2116 RC52%

############### 3/4層FR-4材料芯板

2）因子與水平設(shè)計。

表1

因子

水平 FR-4材料Tg值 FR-4材料芯板厚度/mm FR-4材料層線路的殘銅率

① 低 0.43 0.15

② 高 0.6 0.85

設(shè)計L23全因子試驗。

2 試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

1）全因子試驗的結(jié)果，見表2。

2）各因子主效應(yīng)分析。

FR-4材料Tg值的效應(yīng)為0.1033，F(xiàn)R-4材料芯板厚度的效應(yīng)為-0.6138，F(xiàn)R-4材料層的殘銅率的效應(yīng)為-0.8372，這說明：材料Tg值對翹曲無明顯影響；R-4材料層的殘銅率、芯板厚度對翹曲有明顯影響，且均為負相關(guān)性。

表2試驗

編號 FR-4板料Tg/℃ FR-4材料芯板厚度/mm FR-4材料層的殘銅率 翹曲度/mm

A ① ① ① 2.183

B ② ② ① 2.1

C ② ① ② 1.905

D ① ① ② 1.778

E ① ② ② 1.041

F ① ② ① 2.03

G ② ② ② 0.84

H ② ① ① 2.6

圖1

圖2

芯板厚度影響翹曲度的原因在于0.43 mm芯板使用2張7628型玻璃纖維布，0.60 mm芯板使用3張7628型玻璃纖維布，2張7628的收縮比3張7628大，因而翹曲度更大。殘銅率影響翹曲度的原因在于銅面對芯板的具有束縛作用，減少FR-4材料芯板的收縮，使得FR-4材料的收縮程度與陶瓷基材料接近，從而減少兩種芯板的應(yīng)力差，達到降低翹曲度的效果。（圖1）

3）各因子交互效應(yīng)分析。

通過計算，F(xiàn)R-4材料Tg值*FR-4材料芯板厚度的交互效應(yīng)為-0.1687，F(xiàn)R-4材料Tg值*FR-4材料層的殘銅率的交互效應(yīng)為-0.1403，F(xiàn)R-4材料芯板厚度*FR-4材料層的殘銅率的交互效應(yīng)為-0.2872，F(xiàn)R-4材料Tg值*FR-4材料芯板厚度*FR-4材料層的殘銅率的交互效應(yīng)為0.0048，且交互作用P值未出現(xiàn)，這說明：三個因子之間無明顯的交互作用。

交互作用圖顯示：在低殘銅率情況下，普通Tg的翹曲度比高Tg的??；在高殘銅率的情況下，兩者的無明顯區(qū)別；無論在何種情況下，用厚芯板的翹曲比薄芯板的小，在高TG材料方面更加明顯。（圖2）

3 結(jié)論

本文通過對殘銅率、芯板厚度、材料Tg值三個因素進行全因子設(shè)計試驗，確定殘銅率、FR-4材料芯板厚度對于碳氫化合物/陶瓷基材料（HydraCarbon/Ceramic）+FR-4混壓板件的翹曲具有明顯的影響作用，此類板件在資料設(shè)計時可根據(jù)本文的試驗結(jié)論進行優(yōu)化設(shè)計，以避免翹曲影響板件的焊接使用。

參考文獻

[1]華炎生，朱興華，等.PTFE高頻混壓板問題解析[J].印制電路信息，2010（S1）endprint

摘 要 通過碳氫化合物/陶瓷基材料（HydraCarbon/Ceramic）與FR-4材料混壓實驗，對混合材料壓合電路板翹曲的三個因素：線路層的殘銅率、高頻材料與FR-4材料的芯板厚度差、FR-4材料的Tg值，進行全因子試驗設(shè)計進行系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)這三個因素與混合材料壓合電路板翹曲的相關(guān)性。

關(guān)鍵詞 碳氫化合物/陶瓷基材料；高頻；混壓；翹曲

中圖分類號：TN41 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）09-0057-01

隨著電子通信技術(shù)的發(fā)展，通訊頻率越來越高，而高頻信號傳輸，需要采用低介電常數(shù)（Dk）、低介電損耗（Df）但價格昂貴的特殊材料，這些材料有氰酸脂、聚四氟乙烯/陶瓷基材料（PTFE/Ceramic）、碳氫化合物/陶瓷基材料（HydraCarbon/Ceramic）等高頻材料，通常，這些高頻材料的價格都比較昂貴，而降低成本是客戶提高產(chǎn)品競爭力的一種重要手段，因此，客戶在PCB結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用混合材料的疊層結(jié)構(gòu)，即必要的信號層采用高頻材料以滿足信號傳輸?shù)男枰?，其他線路層采用常規(guī)玻璃纖維環(huán)氧樹脂F(xiàn)R-4材料，我們稱之為混合材料壓合電路板。這樣的設(shè)計對成本控制極為有利，但也給電路板的生產(chǎn)過程帶來了其他的一些問題，其中的一個突出問題是電路板在多次焊接貼裝電子元件的過程中出現(xiàn)翹曲，造成虛焊、漏焊、無法繼續(xù)裝配等問題。

引起混壓結(jié)構(gòu)電路板翹曲的根源在于高頻材料與FR-4材料在層壓過程中的漲縮比例不同[1]，影響材料漲縮的因素有：各線路層的殘銅率、高頻材料與FR-4材料的芯板厚度差、FR-4材料的Tg值。本文主要通過碳氫化合物/陶瓷基材料（HydraCarbon/Ceramic）+FR-4混壓板件實驗，對這三個因素進行系統(tǒng)的研究，以期為解決混壓板件的翹曲提供一些思路。

1 實驗設(shè)計

1）疊層結(jié)構(gòu)。

############### 1/2層高頻材料 0.762 mm（碳氫化合

物/陶瓷基，第1、2層均為高殘銅率）

=============== FR-4半固化片2116 RC52%

=============== FR-4半固化片2116 RC52%

############### 3/4層FR-4材料芯板

2）因子與水平設(shè)計。

表1

因子

水平 FR-4材料Tg值 FR-4材料芯板厚度/mm FR-4材料層線路的殘銅率

① 低 0.43 0.15

② 高 0.6 0.85

設(shè)計L23全因子試驗。

2 試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

1）全因子試驗的結(jié)果，見表2。

2）各因子主效應(yīng)分析。

FR-4材料Tg值的效應(yīng)為0.1033，F(xiàn)R-4材料芯板厚度的效應(yīng)為-0.6138，F(xiàn)R-4材料層的殘銅率的效應(yīng)為-0.8372，這說明：材料Tg值對翹曲無明顯影響；R-4材料層的殘銅率、芯板厚度對翹曲有明顯影響，且均為負相關(guān)性。

表2試驗

編號 FR-4板料Tg/℃ FR-4材料芯板厚度/mm FR-4材料層的殘銅率 翹曲度/mm

A ① ① ① 2.183

B ② ② ① 2.1

C ② ① ② 1.905

D ① ① ② 1.778

E ① ② ② 1.041

F ① ② ① 2.03

G ② ② ② 0.84

H ② ① ① 2.6

圖1

圖2

芯板厚度影響翹曲度的原因在于0.43 mm芯板使用2張7628型玻璃纖維布，0.60 mm芯板使用3張7628型玻璃纖維布，2張7628的收縮比3張7628大，因而翹曲度更大。殘銅率影響翹曲度的原因在于銅面對芯板的具有束縛作用，減少FR-4材料芯板的收縮，使得FR-4材料的收縮程度與陶瓷基材料接近，從而減少兩種芯板的應(yīng)力差，達到降低翹曲度的效果。（圖1）

3）各因子交互效應(yīng)分析。

通過計算，F(xiàn)R-4材料Tg值*FR-4材料芯板厚度的交互效應(yīng)為-0.1687，F(xiàn)R-4材料Tg值*FR-4材料層的殘銅率的交互效應(yīng)為-0.1403，F(xiàn)R-4材料芯板厚度*FR-4材料層的殘銅率的交互效應(yīng)為-0.2872，F(xiàn)R-4材料Tg值*FR-4材料芯板厚度*FR-4材料層的殘銅率的交互效應(yīng)為0.0048，且交互作用P值未出現(xiàn)，這說明：三個因子之間無明顯的交互作用。

交互作用圖顯示：在低殘銅率情況下，普通Tg的翹曲度比高Tg的??；在高殘銅率的情況下，兩者的無明顯區(qū)別；無論在何種情況下，用厚芯板的翹曲比薄芯板的小，在高TG材料方面更加明顯。（圖2）

3 結(jié)論

本文通過對殘銅率、芯板厚度、材料Tg值三個因素進行全因子設(shè)計試驗，確定殘銅率、FR-4材料芯板厚度對于碳氫化合物/陶瓷基材料（HydraCarbon/Ceramic）+FR-4混壓板件的翹曲具有明顯的影響作用，此類板件在資料設(shè)計時可根據(jù)本文的試驗結(jié)論進行優(yōu)化設(shè)計，以避免翹曲影響板件的焊接使用。

參考文獻

[1]華炎生，朱興華，等.PTFE高頻混壓板問題解析[J].印制電路信息，2010（S1）endprint