剛撓結(jié)合印制板中埋入撓性基板區(qū)尺寸研究

王守緒 周國云 董穎韜 何 為（電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院，四川 成都 610054）胡永栓 蘇新虹（珠海方正科技高密電子有限公司，廣東 珠海 519170）

剛撓結(jié)合印制板中埋入撓性基板區(qū)尺寸研究

王守緒 周國云 董穎韜 何 為
（電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院，四川 成都 610054）
胡永栓 蘇新虹
（珠海方正科技高密電子有限公司，廣東 珠海 519170）

研究了剛撓結(jié)合印制板中撓性區(qū)埋入尺寸dE、剛撓互連盲孔距剛撓結(jié)合邊緣尺寸dH、及該類印制板的撓曲次數(shù)Y等之間的關(guān)系，獲得的擬合方程式為：Y＝-34.2＋22.7dE＋16.3dH。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，dE＝2.0cm，dH＝1.8cm是滿足6層剛撓結(jié)合印制板彎折4000次數(shù)撓曲性要求的最小臨界參數(shù)。

剛撓結(jié)合印制電路板；撓曲能力

1 前言

有一種剛撓結(jié)合印制電路板（R-FPCB）的設(shè)計(jì)是撓性埋入?yún)^(qū)域尺寸較少，使用盲孔實(shí)現(xiàn)剛撓區(qū)域上下層互聯(lián)[1]-[3]。如圖1所示，撓性埋入尺寸dE和剛撓互連盲孔距剛撓結(jié)合邊緣尺寸dH的大小決定著R-FPCB的機(jī)械性能和電氣性能。目前未見業(yè)界有對以上兩尺寸作出相關(guān)研究和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，但是良好的撓性埋入尺寸dE和剛撓互連盲孔距剛撓結(jié)合邊緣尺寸dH極大地影響到R-FPCB的品質(zhì)。

圖1 R-FPCB的結(jié)構(gòu)圖

R-FPCB在彎折過程中，剛撓結(jié)合處撓性區(qū)基板上、下兩面交替承受彎折壓力和拉力，如圖2所示。R-FPCB的剛撓結(jié)合處的應(yīng)力承受能力成為撓曲性能的決定因素。彎折時(shí)結(jié)合部受到彎折壓力一面方向指向剛性基材內(nèi)部；而另一側(cè)則指向剛性基材外部。如果將兩作用力分解為垂直和平行于印制板表面的兩個(gè)分力就可發(fā)現(xiàn)，沿剛撓結(jié)合處垂直剖面的兩個(gè)力分量大小相等，方向相反，作用在一條直線上彼此抵消，兩力的相互作用下形成對撓性基材的微小擠壓，影響較??；而垂直于剛撓結(jié)合處垂直剖面（平行于印制板表面）的兩個(gè)力分量大小也是大小相等、方向相反，但彼此平行并不能彼此抵消，成為R-FPCB彎曲作用下?lián)闲月袢雲(yún)^(qū)域成平行四邊形變形扭曲并最終脫離剛性板材夾層的原因。

從理論上擴(kuò)大撓性區(qū)埋入尺寸可與彎折內(nèi)應(yīng)力抗衡，實(shí)現(xiàn)彎折區(qū)域的機(jī)械穩(wěn)定性，而尺寸過大，會喪失這種R-FPCB的特殊性，與傳統(tǒng)剛撓結(jié)合印制電路板無異。因此，這種板設(shè)計(jì)與制造時(shí)必須考慮以下因素：首先，撓性埋入尺寸dE。埋入尺寸太小，彎折性達(dá)不到可靠性標(biāo)準(zhǔn)，且制作困難，容易造成撓性區(qū)脫落和結(jié)合處開裂等機(jī)械性能不良現(xiàn)象、后續(xù)工序的化學(xué)藥水滲入等造成電氣不良；埋入尺寸太大，造成撓性板材的浪費(fèi)，和撓性單元漲縮較大等缺陷[4]。其次，剛撓互聯(lián)盲孔距剛撓結(jié)合邊緣尺寸dH。其距離較大同樣不能體現(xiàn)高密度互連特性，造成撓性基材的浪費(fèi)[5]；但距離太小，容易因彎折應(yīng)力影響到盲孔的電氣性能，造成剛撓互連失效，可靠性降低。本文研究了dE和dH對PCB撓曲性影響規(guī)律，為這種R-FPCB設(shè)計(jì)和制造提供指引。

2 試驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

無膠壓延型聚酰亞胺覆銅雙面（12 μm/20 μm/ 12 μm），覆蓋膜（聚酰亞胺/丙烯酸粘結(jié)劑 15 μm/ 12.5 μm），F(xiàn)R-4覆銅雙面板（銅箔/FR4/銅箔 12 μm/ 150 μm/12 μm），半固化片（106 RC67% 55 μm±5 μm），撓曲性測試儀（型號XD-6306A），微電阻測試儀（型號HIOKI-3540）。

2.2 埋嵌撓性線路印制電路板撓曲性性能研究

按全流程制作6層R-FPCB作為測試板，6層板為芯板3/4層嵌入撓性線路，2/5層為網(wǎng)格銅面并有盲孔連接內(nèi)層撓性芯板，1/6層設(shè)計(jì)有測試點(diǎn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，測試板中撓性埋入尺寸dE分別選取為2.5 mm、2.0 mm、1.5 mm，在每一個(gè)dE尺寸下，設(shè)計(jì)剛撓互聯(lián)盲孔距剛撓結(jié)合邊緣尺寸dH分別為1.5 mm、1.0 mm、0.5 mm。使用微電阻測試儀測試設(shè)計(jì)測試點(diǎn)的電阻，判斷撓性線路的導(dǎo)通性。撓曲性測試的參數(shù)為撓曲速度50次/min，撓曲角度135°，撓曲半徑2.5 cm，如圖2所示。每2分鐘使用微電阻測試儀測試電路導(dǎo)通情況，即以每彎折100次為基本單位，不足100次計(jì)為0，超過100不足200計(jì)為100，電路不通時(shí)即停止。試驗(yàn)結(jié)果評價(jià)是以撓性次數(shù)Y為標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與測試結(jié)果如表1。測試樣板使用相同的壓合工藝等以消除相關(guān)因素的影響。

表1 dE/dH實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

圖2 R-FPCB剛撓結(jié)合處應(yīng)力分析與撓曲性測試示意

2.3 R-FPCB埋入撓性區(qū)尺寸研究

設(shè)計(jì)6層測試板，如圖3所示，撓性線路埋入尺寸dE為2.0 cm，剛撓互聯(lián)盲孔距剛撓結(jié)合邊緣尺寸dH為1.8 cm。對測試板做撓曲性測試，記錄彎折次數(shù)，并做金相切片觀察4000次彎折測試后的剛撓結(jié)合處剖面圖。如圖4所示，4000次撓曲測試后的撓性介質(zhì)和剛性介質(zhì)結(jié)合緊密未出現(xiàn)開裂、變形的機(jī)械性能故障，盲孔內(nèi)電鍍層與介質(zhì)層結(jié)合緊密，電氣性能良好。

圖3 撓曲性測試板

圖4 4000次彎折測試后的剛撓結(jié)合處剖面

為準(zhǔn)確觀察和記錄測試板的撓性彎曲次數(shù)，在接近4000次撓曲時(shí)，使用微電阻測試儀加大抽檢率，準(zhǔn)確記錄測試板所承受的最大撓曲次數(shù)，記錄30組數(shù)據(jù)，并對彎折次數(shù)過程能力分析。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析如圖5所示。

圖5 R-FPCB測試板的彎折次數(shù)過程能力

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

將表1中的數(shù)據(jù)用origin 8.0數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行作圖，所得結(jié)果如圖6所示。從3組曲線中可以直觀看出：固定撓性線路埋入尺寸dE值，其撓性彎折次數(shù)Y隨著剛撓互連盲孔距剛撓結(jié)合邊緣尺寸dH的增大而增大；同理，固定dH值，Y值隨著dE的增大而增大；綜合體現(xiàn)了剛撓結(jié)合處的尺寸越大，盲孔位置越深，其剛撓結(jié)合性能越好，這也是傳統(tǒng)剛撓結(jié)合板的優(yōu)勢。另外，也可直接看出，在dE為1.5 cm時(shí)，所測各dH下的彎折次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于dE為2.0 cm、2.5 cm的彎折次數(shù)，而dE為2.0 cm、2.5 cm時(shí)，結(jié)果趨于平緩，即dE在1.5 cm與2.0 cm之間存在拐點(diǎn)；dE為2.0 cm、2.5 cm時(shí)，各dH值下的彎折次數(shù)Y差異不大，尤其是dH值1.5 cm時(shí)，彎折次數(shù)Y幾乎一致，表明dE大于2.0 cm時(shí)，這種R-FPCB的撓曲性能已經(jīng)趨于穩(wěn)定的可靠性，具有和傳統(tǒng)剛撓結(jié)合板一樣的機(jī)械和電氣穩(wěn)定性。彎折次數(shù)總體的上升次數(shù)，表明了Y與dE、dH具有一定線性關(guān)系，利用origin 8.0數(shù)據(jù)處理軟件對所得各參數(shù)和數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，擬合方程為：

對于擬合結(jié)果，進(jìn)行回歸分析和變量篩選，根據(jù)統(tǒng)計(jì)量的顯著水平對顯著性較小的變量進(jìn)行淘汰。最后得到置信度與相關(guān)度都較高的線性回歸方程：

方差分析擬合曲線的各參數(shù)對結(jié)果是否有顯著性影響，結(jié)果如表2所示。F檢驗(yàn)值表明，撓性線路埋入尺寸dE和剛撓互連盲孔距剛撓結(jié)合邊緣尺寸dH對其撓性彎折次數(shù)Y具有高度顯著性，且dE顯著性要高于dH，其它二次項(xiàng)因子誤差忽略。

圖6 dE/dH對彎折次數(shù)Y的影響關(guān)系

表2 擬合曲線方程的各因素方差分析

綜合以上分析得到：（1）dE在1.5 cm與2.0 cm之間存在拐點(diǎn)；（2）dH為1.5，dE為2.0 cm時(shí)，彎折結(jié)果差異并不大；（3）dE顯著性遠(yuǎn)要高于dH；（4）根據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，彎折次數(shù)4000次以上，才能滿足實(shí)際應(yīng)用。所以選取Y值為40，dE取值為1.5 cm、1.6 cm、1.7 cm、1.8 cm、2.0 cm，求取dH值。結(jié)果如表3所示，滿足條件的參數(shù)為dE=2.0 cm，dH=1.8 cm，此參數(shù)是滿足6層E-flex在測試條件的撓曲性測試的最小臨界參數(shù)。

從圖6可知，在最優(yōu)條件小，即以dE為2.0 cm和dH為1.8 cm的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)制作的測試版，其整體能力的統(tǒng)計(jì)量CPK為1.65大于1.33，且都超過基本次數(shù)4000次。

表3 d/d的最優(yōu)參數(shù)計(jì)算

4 結(jié)論

R-FPCB的撓性區(qū)埋入尺寸dE、剛撓互連盲孔距剛撓結(jié)合邊緣尺寸dH、及該類印制板的撓曲次數(shù)Y之間存在相互關(guān)系，其擬合方程為，Y=-34.2+22.7dE+16.3dH。對于六層R-FPCB的撓性區(qū)為聚酰亞胺基板、剛性區(qū)為FR-4基板時(shí)，其埋入撓性基板的尺寸設(shè)計(jì)可按照參數(shù)dE=2.0 cm，dH=1.8 cm完成，此組參數(shù)具有良好的過程控制能力，其彎曲次數(shù)在4000次以上。

[1]張懷武,何為等. 現(xiàn)代印制電路原理與工藝[M]. 北京:機(jī)械工藝出版社,2010,10-15.

[2]張星龍. 剛撓結(jié)合PCB設(shè)計(jì)技術(shù)[J].電訊技術(shù), 2003,43(4):114-117.

[3]黃勇,胡永栓等. 撓性板部分埋入制作剛撓結(jié)合板[J]. 電子元件與材料,2012,31(8):53-54.

[4]De. Jong, J.A. Ferreira, P. Bauer. 3D Integration with PCB Technology[C]. Applied Power Electronics Conference and Exposition, USA,2006,857-863.

[5]劉建生,何潤宏等. 半撓性印制電路板的制造方法[P]. 中國:發(fā)明專利,CN101365298A.

王守緒，電子科技大學(xué)副教授，從事先進(jìn)印制電路板制造材料及技術(shù)研究工作。論文工作獲得了廣東省2013年重大專項(xiàng)的資助（項(xiàng)目編號：2013A090100005）。

Research on area size of embedded flexible substrate in R-FPC

WANG Shou-xu ZHOU Gou-yun DONG Yin-tao HE Wei HU Yong-shuan SU Xin-hong

The paper studied the R-FPCB embedded dimension dE, the dimension of blind hole to the R-flex edge dH, and the number of deflection Y in R-FPCB. The fitted equation is:Y＝-34.2＋22.7dE＋16.3dH. The experimental results showed that the minimum critical parameters that meet the deflection request of bending 4000 times were dE＝2.0cm, dH＝1.8cm in 6 layer R-FPCB.

R-FPCB; Flexural Capacity

TN41

A

1009-0096（2015）05-0018-04