剛撓結(jié)合光電印制板內(nèi)埋入光纖槽型與位置對(duì)光纖應(yīng)力的影響

郭澤田， 佘雨來， 陳小勇

(桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,廣西 桂林 541004)

剛撓結(jié)合印制板是近幾年發(fā)展迅速的一類高端印制板，廣泛應(yīng)用于高性能計(jì)算機(jī)、航空航天和軍事裝備中[1-5]。目前剛撓結(jié)合印制板通常采用電互聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)板級(jí)間的信息傳輸，而傳統(tǒng)電互聯(lián)技術(shù)的寄生效應(yīng)(信號(hào)衰減、電磁干擾和寄生電容)問題十分顯著，不能更好地滿足高速高效的信號(hào)傳輸要求[6-9]，嚴(yán)重制約了剛撓結(jié)合印制板的發(fā)展前景。埋入光纖的剛撓結(jié)合印制板既結(jié)合了光互連高速、大容量和低損耗的信息傳輸特性，又具備剛撓結(jié)合板可折疊、蜷縮、彎曲、連接活動(dòng)部件及三維組裝等特點(diǎn)，能夠與傳統(tǒng)的印制電路板制作技術(shù)及表面貼裝技術(shù)兼容，使其成為剛撓結(jié)合印制板主要的發(fā)展方向[10-16]。

光纖是應(yīng)力敏感構(gòu)件，不同的光纖定位槽型結(jié)構(gòu)和不同的埋入位置對(duì)光纖應(yīng)力的影響也不同。文獻(xiàn)[17]基于斷裂機(jī)理研究了光纖埋入剛性印制板時(shí)光纖的應(yīng)力應(yīng)變問題，研究結(jié)果表明埋入光纖的槽型結(jié)構(gòu)能夠有效減小光纖在生產(chǎn)和服役階段的應(yīng)力應(yīng)變；文獻(xiàn)[18]針對(duì)光纖埋入撓性基板中槽型結(jié)構(gòu)對(duì)光纖的應(yīng)力影響進(jìn)行了研究，但對(duì)于埋入光纖的撓性基板與剛性基板對(duì)接時(shí)光纖的應(yīng)力應(yīng)變問題并未研究；文獻(xiàn)[19]針對(duì)撓性光電印制板在回流焊工藝下埋入光纖的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行仿真研究，并得到了較優(yōu)的光纖埋入槽型結(jié)構(gòu)，但是針對(duì)光纖埋入過程中光纖的應(yīng)力應(yīng)變的研究較缺乏；文獻(xiàn)[20]針對(duì)層壓工藝下?lián)闲怨怆娪≈瓢逯新袢牍饫w的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行仿真研究，研究結(jié)果表明層壓工藝中溫度載荷對(duì)光纖的應(yīng)力應(yīng)變影響較大，不同埋入光纖的槽型結(jié)構(gòu)對(duì)光纖的應(yīng)力應(yīng)變的影響不同。

綜上所述，通過設(shè)計(jì)合理的槽型結(jié)構(gòu)，能夠有效減少埋入光纖的剛撓結(jié)合印制板在生產(chǎn)和服役過程中內(nèi)部光纖的應(yīng)力集中現(xiàn)象，防止因應(yīng)力集中而使光纖發(fā)生脆性斷裂，從而大大提高光纖和板件的使用壽命。

1 埋入光纖的剛撓結(jié)合光電印制板建模

1.1 埋入光纖的剛撓結(jié)合光電印制板結(jié)構(gòu)

剛撓結(jié)合光電印制板主要是先在撓性基板上刻出槽型，將光纖埋入，加入填充膠使光纖固定，形成光路層，之后將導(dǎo)電層和光路層通過粘結(jié)劑粘結(jié)后形成撓性光電基板，最后通過層壓工藝將撓性光電基板和剛性基板用半固化片粘接后，形成剛撓結(jié)合光電印制板，如圖1所示。

圖1 剛撓結(jié)合光電互聯(lián)印制板結(jié)構(gòu)示意圖

目前常用的刻槽類型主要有矩形槽、U形槽、梯形槽，3種槽型如圖2所示。在層壓工藝下，光纖埋入不同的槽型所受到的應(yīng)力和光纖端面的最大偏移也不同，所選帶涂覆層光纖的半徑為62.5 μm，涂覆層材料為聚酰亞胺，不帶涂覆層的光纖選用標(biāo)準(zhǔn)裸光纖，半徑為50 μm，矩形槽和U形槽的槽寬選擇為對(duì)應(yīng)埋入光纖的直徑，梯形槽的槽頂角范圍通常為65.611°～ 90°，本研究選用頂角為75°的梯形槽。

圖2 槽型類型

為了增大剛撓結(jié)合處的可靠性，達(dá)到更高的彎折性能要求，將撓性基板設(shè)計(jì)為“T”字形，即埋入部分的尺寸寬度大于未埋入部分的尺寸寬度。

選用聚酰亞胺作為撓性基板的材料，剛性板選用FR-4玻璃纖維板，半固化片選用剛撓結(jié)合板中常用的低流膠半固化片。

1.2 剛撓結(jié)合光電印制板有限元仿真模型建立

有限元仿真模型各部分材料屬性如表1所示[20-22]。光纖的芯層和包層由不同純度的二氧化硅制造而成，因此在仿真中按照同種材料參數(shù)計(jì)算。

表1 材料屬性

在熱固耦合分析時(shí)，為模型加載用于剛撓結(jié)合板層壓工藝的參數(shù)，如圖3所示。初始溫度選取室溫27 ℃，溫度加載分為2個(gè)階段：0 ～ 100 min為預(yù)熱階段，半固化片在此階段能夠充分流動(dòng)；100 ～ 200 min為層壓階段，此階段最高溫度為175 ℃，半固化片在此溫度下能夠充分固化，最終在層壓結(jié)束后達(dá)到固定剛性板與撓性板的作用。壓力加載分為3個(gè)階段：第一階段壓力為1.38 MPa，在此壓力下排出大部分氣體；第二階段施加2.07 MPa的壓力，此時(shí)半固化片和粘結(jié)劑剛處于玻璃化溫度上，加壓使膠充分流動(dòng)，徹底排出空氣，使所有接觸面都有膠；第三階段壓力為4.48 MPa，此階段內(nèi)明顯增強(qiáng)了膠粘劑與導(dǎo)電層、光路層之間的結(jié)合力，達(dá)到產(chǎn)品要求。

圖3 層壓工藝曲線

對(duì)帶光纖的撓性板埋入剛性板的端面進(jìn)行有限元建模，對(duì)建模后的剛撓結(jié)合光電印制板進(jìn)行網(wǎng)格剖分，將模型端面兩側(cè)及下表面固定，上表面施加壓力載荷，上下表面施加熱載荷，不考慮材料熱傳導(dǎo)系數(shù)引起的溫差，使用COMSOL軟件進(jìn)行熱固耦合分析。

2 層壓工藝過程中光纖應(yīng)力分析

2.1 埋入不同槽型結(jié)構(gòu)下光纖受力

光纖埋入不同的槽中時(shí)，層壓工藝過程中的受力也不同。在保持光纖間距及基板其他參數(shù)不變的情況下，僅改變埋入光纖的槽型結(jié)構(gòu)，分析不同結(jié)構(gòu)在相同載荷條件下光纖的受力情況。

將槽型依次設(shè)置為矩形槽、U形槽和梯形槽，在層壓工藝參數(shù)下得到3種槽型下光纖的應(yīng)力云圖，如圖4所示。

圖4 層壓階段埋入不同槽形光纖應(yīng)力云圖

從圖4可看出,光纖埋入梯形槽中的應(yīng)力大于埋入矩形和U形槽中的應(yīng)力，梯形槽和矩形槽內(nèi)光纖的應(yīng)力主要分布在上下接觸面上，而U形槽中光纖的下表面的應(yīng)力能夠被槽壁分散，因此U形槽的受力較為均勻。

從圖4還可看出，矩形槽光纖最大應(yīng)力為38.218 MPa,最小為6.225 MPa；U形槽光纖最大應(yīng)力為36.371 MPa,最小為8.394 MPa；梯形槽光纖最大應(yīng)力為44.938 MPa,最小為6.995 MPa。

在層壓工藝下，在不改變其他材料參數(shù)和邊界條件下，分別改變矩形槽、U形槽和梯形槽的結(jié)構(gòu)尺寸(槽深、槽寬)，得出槽深、槽寬與光纖應(yīng)力的關(guān)系。如圖5所示，設(shè)置初始槽深為111 μm，每次增加4 μm，直至最大槽深171 μm，得出層壓工藝下光纖埋入不同槽深的矩形槽、U形槽和梯形槽中光纖的最大應(yīng)力。

圖5 光纖應(yīng)力與槽深關(guān)系圖

從圖5可看出，光纖埋入矩形槽時(shí)，光纖的最大應(yīng)力在槽深為111 μm時(shí)最小，為38.522 MPa，隨槽深增加而有略微增加，在槽深為147 μm時(shí)，最大應(yīng)力達(dá)到最大的39.363 MPa，隨后略微下降；光纖埋入U(xiǎn)形槽和梯形槽時(shí)，光纖的最大應(yīng)力都是先隨槽深增加而減小，在槽深為127 μm時(shí)，最大應(yīng)力達(dá)到最小值31.717 MPa，而后隨槽深增加而增加；光纖埋入梯形槽時(shí)，光纖的最大應(yīng)力先隨槽深增加而減小，在槽深為127 μm時(shí)，光纖的最大應(yīng)力達(dá)到最小值38.862 MPa，而后隨槽深增加而增加。

設(shè)置初始槽寬為104 μm，每次增加4 μm，直至最大槽寬164 μm，得出層壓工藝下光纖埋入不同槽寬的矩形槽、U形槽和梯形槽中光纖最大應(yīng)力，如圖6所示。從圖6可看出，3種槽型中光纖最大應(yīng)力與槽寬的變化趨勢(shì)基本保持一致，都是隨槽寬的增加而增大，因此，無論采用何種槽型結(jié)構(gòu)，都應(yīng)盡量減小槽寬。

圖6 光纖應(yīng)力與槽寬關(guān)系圖

2.2 不同埋入位置下光纖應(yīng)力

分別對(duì)本模型中的5根陣列光纖進(jìn)行編號(hào)，如圖1所示。在層壓工藝條件下，3種不同槽型中光纖的埋入位置與光纖應(yīng)力的變化趨勢(shì)大致相同，如圖7所示。

圖7 埋入3種槽型不同位置的光纖最大應(yīng)力圖

從圖7可看出，當(dāng)光纖埋入位置越靠近基板邊緣，其最大應(yīng)力越大，且梯形槽中光纖的最大應(yīng)力遠(yuǎn)大于矩形和U形槽中光纖的最大應(yīng)力，而U形槽中光纖應(yīng)力最小。

3 槽型結(jié)構(gòu)與埋入位置對(duì)光纖的偏移影響

本模型中材料具有熱塑性和熱脹冷縮的性質(zhì)，在層壓工藝過程中，當(dāng)溫度升高，基板、填充膠與半固化片會(huì)受熱膨脹且變軟，同時(shí)在壓力作用下基板整體結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生變形，從而導(dǎo)致光纖發(fā)生位置偏移，會(huì)對(duì)后序光纖與耦合結(jié)構(gòu)的對(duì)準(zhǔn)精度產(chǎn)生影響。

分析層壓工藝下槽深、槽寬分別對(duì)光纖偏移的影響。設(shè)置初始槽深與槽寬分別為111、104 μm，每次增加4 μm，最終達(dá)到最大槽深171、164 μm，分別得到光纖埋入不同槽深、槽寬的矩形槽、U形槽和梯形槽中光纖的最大偏移量，如圖8、9所示。

根據(jù)圖8、9可知，3種槽型中的光纖最大偏移量都隨槽深增加而增加，且都隨槽寬的增加而減小。

圖8 光纖偏移與槽深關(guān)系圖

分別提取不同槽型中5根陣列光纖在層壓工藝下的最大偏移量，如圖10所示。從圖10可看出，不同槽型結(jié)構(gòu)中5根陣列光纖的位移隨光纖位置的變化趨勢(shì)大致相同，在撓性基板中央的光纖偏移最大，越靠近撓性基板邊緣的光纖偏移量越小，無涂覆光纖埋入3種槽型中的最大偏移量排序依次為：矩形槽(5.407 μm)>U形槽(5.402 2 μm)>梯形槽(5.377 9 μm)。

圖9 光纖偏移與槽寬關(guān)系圖

圖10 埋入3種槽型不同位置的光纖最大偏移圖

4 涂覆層對(duì)光纖應(yīng)力和端面偏移的影響分析

為了防止光纖被水汽侵蝕和機(jī)械擦傷，通常在光纖外加一層涂覆層。常用的涂覆層材料為聚酰亞胺。在保持槽間距不變的情況下，對(duì)3種槽內(nèi)埋入無涂覆層的裸光纖和有涂覆層的光纖，共6種模型進(jìn)行層壓分析，提取6種模型中1號(hào)位置光纖的最大應(yīng)力值和最大偏移值，如圖11、12所示。

圖11 埋入3種槽型不同類型光纖應(yīng)力圖

從圖11可看出，就同種槽型而言，埋入有涂覆層的光纖比無涂覆層的光纖受到的應(yīng)力要大得多，大10 MPa以上；有涂覆層與無涂覆層的光纖埋入梯形槽時(shí)，在層壓過程中所受的應(yīng)力都比其他2種槽型大，原因是光纖在梯形槽時(shí)上表面的填充膠較多，當(dāng)填充膠受熱膨脹時(shí)對(duì)光纖的擠壓力增大。

有涂覆層與無涂覆層的光纖埋入U(xiǎn)形槽中，在層壓過程中所受應(yīng)力相較于其他2種槽型最小，原因是光纖的下表面與基板是面接觸，與在矩形槽和梯形槽中線接觸不同，面接觸使接觸應(yīng)力均勻分布在接觸面上，能夠有效防止應(yīng)力集中。

從圖12可看出，靠近基板中心位置時(shí)，對(duì)于相同的槽型，有涂覆層的光纖最大偏移量要比無涂覆層的光纖大；當(dāng)靠近基板兩端時(shí)，矩形槽和U形槽中有涂覆層光纖的最大偏移量小于無涂覆層光纖。

圖12 埋入3種槽型不同類型光纖偏移圖

5 結(jié)束語(yǔ)

建立了一種剛撓結(jié)合光電印制板有限元分析模型，對(duì)有限元模型施加層壓工藝中的熱固耦合載荷，針對(duì)埋入不同槽型結(jié)構(gòu)和不同位置下光纖的應(yīng)力與偏移量進(jìn)行仿真分析，得出以下結(jié)論：1)當(dāng)埋入無涂覆層光纖時(shí)，采用U形槽埋入光纖，光纖受到的最大應(yīng)力值最小，矩形槽深為111 μm，槽寬為104 μm時(shí)，埋入光纖的應(yīng)力值最?。划?dāng)U形槽或梯形槽槽深為127 μm，槽寬為104 μm時(shí)，埋入光纖的應(yīng)力值最??；光纖埋入位置越靠近撓性基板邊緣，受到的應(yīng)力越大；光纖埋入3種槽型結(jié)構(gòu)中，光纖的偏移量都會(huì)隨槽深的增大而增加，隨槽寬的增大而減小；越靠近撓性基板中央的光纖偏移量越大。2)當(dāng)埋入有涂覆層光纖時(shí)，采用矩形槽埋入光纖，光纖受到的最大應(yīng)力最小；有涂覆層光纖埋入3種埋入槽型結(jié)構(gòu)中，光纖埋入位置越靠近撓性基板邊緣，光纖的最大偏移量越小。該結(jié)論對(duì)設(shè)計(jì)剛撓結(jié)合光電印制板光纖定位結(jié)構(gòu)具有一定參考價(jià)值。