撓性電路板的FR-4增強(qiáng)板分層改善

崔紅兵 許 燦

（東莞康源電子有限公司，廣東 東莞 523932）

0 前言

隨著電子產(chǎn)品朝著小、輕、薄、高可靠等性能發(fā)展，撓性電路板（FPCB）在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用范圍越來越廣，數(shù)量也越來越多。作為電信號傳輸?shù)倪B接線，板邊插頭（手指）位通常需要貼合增強(qiáng)材料，以增強(qiáng)連接的可靠性，還有部分位置需要貼裝元件，這些貼裝元件的位置有些也需要貼合增強(qiáng)材料，以支撐元件，常用增（補(bǔ)）強(qiáng)材料有PI、FR-4、金屬片等。

補(bǔ)強(qiáng)與撓性電路板的結(jié)合力受到膠膜厚度、壓合條件的影響，需要找到合適條件才能承受焊接時的高溫，否則容易出現(xiàn)分層起泡的質(zhì)量問題。

1 問題現(xiàn)象描述和不良原因的分析

1.1 問題的描述

FPCB產(chǎn)品經(jīng)過特定回流焊參數(shù)后，在貼有FR4補(bǔ)強(qiáng)的位置出現(xiàn)高達(dá)33%比例的起泡，做剖切磨片觀察（如圖1），確認(rèn)是撓性層與FR-4增強(qiáng)之間出現(xiàn)了分層。

圖1 不良分層現(xiàn)象

1.2 原因的分析

（1）電鍍孔的表面不平整帶來受壓不均。從分層位置的結(jié)構(gòu)圖（如圖2）可以看出。由于電鍍采用的是電鍍孔工藝，孔壁的銅厚要求最小12 μm，孔口表面的鍍銅厚度在18 μm以上，存在較明顯的凸起。從孔位圖（圖3）可看到補(bǔ)強(qiáng)的位置對應(yīng)的孔的數(shù)量較多（4×20），在壓合的過程中容易出現(xiàn)敷形不足，受壓不均，流膠不充分。產(chǎn)品因彎折位置不能有電鍍銅，最好采用電鍍孔工藝實(shí)現(xiàn)孔的連接。

（2）回流焊高溫段時間長。從回流焊參數(shù)看，要求在220 ℃以上的溫區(qū)的時間保持在53 s以上，最高溫度（242±2）℃，40 ℃到220 ℃升溫時間（200±2）s，高溫段比一般回流焊的時間長。補(bǔ)強(qiáng)支撐位置是兩排較密的焊盤，用于較大型連接器的焊接，在回流焊時連接器需要吸收較多的熱量，為達(dá)到較好的焊接效果，通過加長高溫段的時間來達(dá)成。

圖2 產(chǎn)品疊層結(jié)構(gòu)

圖3 產(chǎn)品孔位圖形

（3）壓合參數(shù)不合適。壓合采用的是真空快壓的方式，壓合參數(shù)是壓合時間120 s，溫度165 ℃，壓力1.76 MPa，這組參數(shù)是用于大批量的補(bǔ)強(qiáng)壓合的生產(chǎn)參數(shù)。通過不同產(chǎn)品的對比，此參數(shù)主要是用于表面沒有電鍍孔位置的補(bǔ)強(qiáng)壓合。對于較多電鍍孔的產(chǎn)品，表面的不平整程度加劇，可能無法滿足。

（4）膠膜厚度不足。膠膜是丙烯酸類型膠，厚度是25 μm，從產(chǎn)品表面的落差來看，膠膜的厚度不足也可能是原因之一。

2 試驗(yàn)及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

基于上面的分析，電鍍孔工藝和回流焊參數(shù)受產(chǎn)品特點(diǎn)的限制，不能作變更，故從壓合參數(shù)和膠膜厚度兩個方面進(jìn)行試驗(yàn)，選擇不同厚度的膠膜、壓合時間和壓合的溫度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計。由于真空快壓機(jī)的壓力可調(diào)性差，故將其設(shè)定在1.76 MPa不變。

2.2 試驗(yàn)樣品的測試結(jié)果

共進(jìn)行了18組的試驗(yàn)，每組數(shù)量為60片，回流焊試驗(yàn)的分層累結(jié)果（見表1）。

為更清楚分析分層現(xiàn)象，將上表中數(shù)據(jù)按不同壓合溫度條件分成2張表，形成散點(diǎn)圖（見表2和表3、如圖4和圖5）。

由以上試驗(yàn)結(jié)果，可看出：

（1）快壓機(jī)溫度在試驗(yàn)范圍內(nèi)設(shè)置越高，其不良分層數(shù)越少；

（2）快壓時間在試驗(yàn)范圍內(nèi)設(shè)置越長，其不良分層數(shù)越少；

（3）膠膜在試驗(yàn)范圍內(nèi)越厚，其不良分層數(shù)越少。

當(dāng)采用25 μm膠膜時，無論采用試驗(yàn)中何種壓板參數(shù)，三次回流焊后總是會出現(xiàn)一定的分層現(xiàn)象。

為了使該板的生產(chǎn)工藝穩(wěn)定有效，25 μm膠膜顯然已經(jīng)不適用于當(dāng)前的試驗(yàn)條件進(jìn)行生產(chǎn)。由于采用50 μm厚的膠膜時，裝配孔（直徑1.6 mm）會出現(xiàn)較嚴(yán)重的孔口流膠現(xiàn)象，超出孔徑的公差要求（如圖6）。以上試驗(yàn)結(jié)果中，使用35 μm膠膜時，當(dāng)壓板參數(shù)適當(dāng)時，沒有不良的分層現(xiàn)象，故選用35 μm膠膜進(jìn)行驗(yàn)證（如圖6）。

2.3 流膠量的影響因素

孔口流膠量的大小與所用產(chǎn)品的材料類型，膠膜厚度，孔徑大小以及壓合條件有關(guān)，對于以上分層試驗(yàn)，在分層試驗(yàn)的基礎(chǔ)上選用不同的膠厚、孔徑及壓合的條件（溫度、時間），壓合的壓力已固定，暫不做調(diào)整。參考IPC-TM-650《試驗(yàn)方法手冊》，壓合后選取40個同種試驗(yàn)條件下的孔，測得流膠量后取平均值，所示的試驗(yàn)結(jié)果（見表3、圖7）。

表1 快壓試驗(yàn)結(jié)果

表2 165 ℃壓合溫度試驗(yàn)結(jié)果

表3 180 ℃壓合溫度試驗(yàn)結(jié)果

圖4 165℃壓合溫度下分層數(shù)散點(diǎn)圖

圖5 180℃壓合溫度下分層數(shù)散點(diǎn)圖

圖6 孔口流膠

由以上結(jié)果，得到以下結(jié)論：流膠量的大小在試驗(yàn)范圍內(nèi)與所用膠厚成正相關(guān)；流膠量的大小在試驗(yàn)范圍內(nèi)與快壓溫度成正相關(guān)。

由于流膠量的影響因素和分層的影響因素重合，故為了保證其功能性，只需確保流膠量在客戶標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)穩(wěn)定。綜合分層試驗(yàn)以及流膠試驗(yàn)的結(jié)果，當(dāng)采用35 μm的膠系，180 ℃的快壓溫度，120 s到180 s的快壓時間時，孔口流膠量可以保持在客戶要求的規(guī)格內(nèi)。

2.4 壓合時間的再驗(yàn)證

從以上試驗(yàn)結(jié)果綜合考慮，可以確定采用35 μm膠膜、壓合溫度180 ℃是比較合適的，壓合時間考慮到實(shí)際生產(chǎn)的效率需求，故分別選130 s、140 s、150 s、160 s作進(jìn)一步試驗(yàn)。具體的試驗(yàn)情況（見表4）。

由以上結(jié)果可知，當(dāng)選用35 μm膠膜時，快壓機(jī)溫度180 ℃時，其回流焊后是否出現(xiàn)分層的臨界時間應(yīng)該在130 s～140 s之間。

3 結(jié)論

根據(jù)上面的試驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮生產(chǎn)效率和品質(zhì)穩(wěn)定的因素，選用膠膜厚度采用35 μm，壓合參數(shù)采用180 ℃、160 s、壓力1.76 MPa的條件來進(jìn)行該產(chǎn)品的快速壓合，產(chǎn)品可以滿足經(jīng)3次熱應(yīng)力288 ℃、10 s后，外觀檢查和切片確認(rèn)都沒有分層；5次特定參數(shù)回流焊后外觀檢查和切片確認(rèn)也都沒有分層。

通過對膠膜厚度和壓合參數(shù)的試驗(yàn)，找到匹配產(chǎn)品特點(diǎn)的合適膠膜厚度和壓合參數(shù)，對有類似結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)的產(chǎn)品按上述材料和參數(shù)進(jìn)行批量生產(chǎn)，品質(zhì)表現(xiàn)穩(wěn)定，較好解決了回流爐后分層的品質(zhì)問題。

表3 流膠試驗(yàn)清單及結(jié)果

圖7 主效應(yīng)圖

表4 壓合時間試驗(yàn)清單及結(jié)果