覆铜板翘曲缺陷及测试和成因分析.docx

1、覆铜板翘曲缺陷及测试和成因分析覆铜板翘曲缺陷及测试和成因分析2oo5年第6期覆铜板翘曲缺陷及测试和成因分析广州太和覆铜板厂曾光龙摘要:本文详细地分析了覆铜板翘曲缺陷的危害及三大类测试方法标准和异同.并分析了翘曲形成的各方面原因.关键词:覆铜板翘曲危害测试方法成因1,覆铜板翘曲缺陷及其危害性覆铜板翘曲(以下简称基板翘曲)是覆铜板厂,印制电路板厂及相关用户极为关注而又很不容易解决的产品缺陷,它也是电子组装厂及相关用户极为关心的问题.因此基板翘曲也是覆铜板的一个极为重要的质量指标.1.1在PCB制程中,基板翘曲影响PCB制程的顺利进行(如丝印无法进行一挂破网或造成图形变形,或在PCB自动生产线上会出

2、现卡板现象等).1.2基板翘曲将使电子器元件自动插装与贴装操作不能顺利进行.波蜂焊时基板翘曲使部分焊点接触不到焊锡面而焊不上锡.1.3基板翘曲除了可能使集成块接点不能与PCB焊盘密合之外,因翘曲产生的应力,还可能导致接点断裂而造成废品.1.4对于已经安装了电子元器件的PCB板进行切脚操纵时,由于基板翘曲使基板偏离其所在平面,使切脚刀不能很整齐地将电子元器件的引脚切去.造成一些脚切不到,局部还可能出现切到基板的状况.1.5装上电子元器件以后,基板翘曲也影响到电子装置的安装与使用,如PCB板插不进插座,即使插进去了也是接触不良.近十几年来,由于覆铜板行业与原材料供应商的共同努力,使覆铜板的平整度取

3、得了长足的进步,但仍不能完全满足用户,PCB厂和电子产品安装的要求.像SMT及BGA的安装要求印制板的翘曲度小于O.7%,虽然这一要求已远远高于国内外任何一个覆铜板技术标准所规定的指标值,但有些PCB厂甚至要求覆铜板的翘曲度<O.5%或<O.4%,这对覆铜板厂的确很严峻.由于造成覆铜板翘曲的因素相当多,它与原材料的品质(树脂,基材等的品质),树脂配方,设备,生产工艺条件,PCB线路图形分布均匀性,及PCB制程生产_T艺等等因素相关.理论上是做不出绝对平整的覆铜板,但用户的要求是必须保证的.在如此严格的条件下,如何使做出的覆铜板翘曲度达到用户的要求,并且在制成PCB及其它相关产品以后

4、的翘曲度仍能达到用户的要求,需要业界不懈努力.2,覆铜板翘曲的测试2.1名词定义翘曲是指基板的某一部分偏离基板所在平面的值.如果对基板翘曲的名词定义不同及测量力法不同,所得的基板翘曲值相差甚大.所以,在确定产品翘曲值时,首先要确定用什么标准和采用什么测量方法和计算方法,才能使供需双方对产品的翘曲指标值的规定和榆测结果达到一致.2.2测试方法2.2.1基板悬挂榆测方法f见图1)丝I+图1,基板翘曲悬挂检测方法早期,我围覆铜板行业参照日本JISC6481标准及其它一些相关标准所制订的覆铜板翘曲度检测法是采用悬挂法.其作法:用夹具夹住麴鼬年第6期覆铜被癸讯基板或覆铜板任一条边的中点或任一个角,将板悬

5、空吊起来,观察板的翘曲状况.用刚性长直尺靠住板弯相对的两条边的中点或相对的二个角,然后用直尺测量板弯到直尺之间的最大垂直距离.测量相对两条边的板弯值为弓曲值,测量相对二个角的板弯值为扭曲值.测量时变换夹挂点.即夹相邻另一条边的中点或相邻另一角,再行测量.取两次测量中的最大值为该板的弓曲值或扭曲值.这种做法所反映的基板的翘曲度与基板的厚度,基板的尺寸大小及板的刚性有关,井日与用户实际操作情况相关.对于1.6mm或2.0ram以下厚度产品,当把它悬挂起来时,基板在重力作用下会进一步向基板中间部分变形而加大弯曲度(随着基板厚度增大.这一变化影响减小).当把板切成小块也用悬挂法测量时,这种因重力造成的

6、变形就减少.板切小到一定程度时,这种因重力造成变形就不产生.也即同一块基板,用大板和切成小板所检测出来的板翘曲值差异相当大,这与用户实际使用要求不相一致.此外.采用悬挂测量法,对夹具大小,夹具夹持力没有明确规定.而在实际测量中,夹具与基板的接触面积与夹持力对基板的翘曲度检测值是有一定影响的.夹具面积越大,夹持力越大,对基板翘曲测量结果影响也就越大.F1于有上述诸多不足,采用悬挂检测法已不常见,当前在CCL及PCB行业中,基本上都采用IPCTM一650方法来榆测基板翘曲度.2.2.2IPCTM一650检测方法2.2.2.1IPC标准对基板翘曲的定义弓曲:它是覆铜板或印制电路板类似于柱形或曲球形的

7、一种变形.对于形状为矩形的样品,它的四个角位于同一平面上.扭曲:它是覆铜板或印制电路板在平行于对角线方向发生的一种变形,其中一个角不包含在另外个角的平面上.2.2.2.2榆测方法关于覆铜板和印制电路板弓曲和扭曲的榆测,在IPCTM一650中有二个文件,一个是IPC.TM一650之2.4.22.1,一个是IPCTM一650之2.4.22A.IPCTM一650之2.4.22.1层压板的弓曲和扭曲测量(见图2).r8.把试样盘手测试平台上,测量最大垂直位移I1,弓曲测量b,扭曲测量嘲芝,iPC-tM650检;91ll方法小板应反复转动.以确定最大垂直位移;最大垂直位移可在试样的一个角或试样的一个边.

8、把塞规插入平台与层压板下表面之间.测量最大垂直位移,用半分尺测基规总厚度.以验证测量厚度.弓曲最大盲分率兰弓曲最大垂直位移/最大垂直位移所在边长度n100%扭曲最大百分率=扭最大垂直位移,被测试样对角线长度父i00%13.e一堵50之2.4.22弓和扭曲e百分率)测量i)弓曲测量(同图2)将样品凸面向上置手测试平台上观察样品每一边的两个是否接触到平台.对于在自南状态下接触不到平台的同一样品同一边的两个角,可施加足够的压力(在实际测量时.有的榆测人员用一定重量砝码也有的检测人员用手指按住没有接触到平台的角使没有接触到平台的角接触蓟平台),用塞规测量样品的边与平台的最大垂直位移,计算该样品的弓曲百

9、分率:弓曲百分率=害/L)j:100%其中:RL一样品边与平台最大垂直位移L一样品与平台垂直位移的郝条边接触到平台时的长度ii)扭晰测量(同图2)将样品置手平台上艘任意个角接触平台,如果需要,施加压力于样品的一个角,以确保样品四个角的j个角接触到平台,或翻转样品使其达至这个要求,席测隙规或塞规测量并记录不接触平台的角与平台的最大垂直位移,计算该样品的扭ff锌百分率:扭断百分率lOO%其中:R一样品的角与平台的最大垂直位移2005年第6期覆铜板资讯D一样品的对角线接触到平台时的长度注:计算公式中包含系数2是由于对样品的一个角旌11压力使其接触到平fi,而使扭Itlt的垂直位移偏离增加了一倍.测量

10、过程中,如果对样品的一个角施加压力不能使样品的三个角接触到平台(例如一块样品对角线的二个角在一个平面上,而另一对角线的二个角在相反的另一个平面上,对其中任一角施压均不能使样品的1一个角同时接触到平台,作/者注),此时应采用扭曲测量的仲裁方法.c扭fHj测量的仲裁方法(见图3)RIa,幢车垒低两个角置于与平台平亍支捧物上b.憧另两个角用水平支号物支起健与平台有目同高度测量低角与高角与平台间距离图37曲测量仲裁方,去将样品置于测试平台上,使两个较低的相对角接触到平台,或将待测样品置于与样品平行的平台上(见图3-a);用水平支撑物支撑其它两个角,以确保两面个升起的角与平台有相同的高度,用测量仪测量样

11、品最高升起点的高度记为RI(见图3-b);不移动样品,测量与支撑面接触的其中一个角的高度并记为R2(见图3一c),计算该样品的扭曲百分率:扭曲百分率=(R1一R2)/Dx100%其中:R1一样品最高升起角的高度R2一样品与支撑面接触角的高度D一样品对角线接触到平台时的长度DIPC.TM.650之2.4.22.1和2-4.22在检测方法与计算方法上的些区别:aIPC.TM.650之2-4.22检测方法描述得比PC.TM.650之2.4.22.1具体.h在扭fH1测量与计算方法上,IPCTM一650之2.4.22中提到,当待测样品置于平台上,如果需要对样品的一个角施加压力来达到样品的i个角接触到平

12、台,以测量其中一个角的扭曲值时,由于对平台上的一个角施压力以后会使扭fH1的垂直位移偏离增加一倍,所以计算公式中的分母经要乘以2,这是与PC.TM650之2.4.22.1的最大差异.c在IPC.TM一650之2.4.22中,JJtl了一个扭曲测量的仲裁方法.d在IPC.4101A刚性和多层印制电路板用经常材规范中,有关层压板的弓曲和扭fH1是引用II)CTM.650Z之2.4.22.12.2-3.国标GB/T472292印制电路用覆铜箔层压板检测方法(以下简称GB标准).19.a弓曲b扭曲图4GB/T4722-92检测方法2.2-3.1弓曲测量(见图4.a)将fH1率基本一致的试样,凹面向上,

13、置于平台上,使直尺下边轻轻接触试样两端的边缘,但不得加压使试样变形,从测量尺上渎出跨距L,并测量覆铜板与测量尺下表面的最大间隙D,按下式换算成1000mm跨距的弓fH1值dd=D1000/L2其中:d-1000mm跨距时的弓fH1值,mm.L0量尺测量的跨距,mm.D跨距为L时测出的间隙,mm.试样fH1率不一致时,弓fH1值要使用长度不小于300mm(或不小于所测试试样较短一边的长度)的直尺.2.2.3.2扭曲测量(见图4.b)将试样置于平台上,凹下去明显的一面向下,使其下表面的三个角与平台接触,测量下面另一个角与平台的垂直距离D,按下式换算成1000ram的扭曲值.2005年第6期覆铜板资

14、讯d,:D,1000/L其中:d一每1000mm的扭曲值,mm.L一与平台不接触的板角与其对角间的距离,mm;D一实测垂直距离,mm;2.2.4PC.TM.650标准测量方法,GB标准测量方法与基板悬挂法测量方法的差异:2.2.4.1PC.TM.650标准及GB标准对基板翘曲测量是将样品平放于平台上,而悬挂法对基板翘曲的测量是将样品悬空挂起来的.对于刚性较好的基板,不论是平放或是悬空挂起来,其变形均较小湖0试差异较小.对于刚性较低的板,南于重力的作用,平放法与悬挂法测试结果差异相当大.(平放法由于重力作用,翘曲减少,悬挂法南于重力作用,翘曲增大).2.2.4.2弓曲测量:三种方法均是测量变形的

15、边与该条边两个角所在平面的最大垂直位移,测试方法是相同的.扭曲测量:PC.TM650与GB标准均是让样品+=个角接触平台,测量翘起角与平台的最大垂直位移.而悬挂是测量对角线与对角线两个角所在平面最大垂直位移,测试方法不同,结果也就不同.2.2.4_3IPC-TM一650适用范围是:借助切成任意尺寸的板或加T好的刚性印制板(包括单面,双面,多层,冈0挠性印制电路板的刚性部分),试样尺寸为(300-Z-_2)mmx300_+2)mm或更小的板.2.2.4.4.GB要求样品的长和宽均不小于460mm的原张覆铜板,计算时换算成1000mm表示.2.2.4.5PC.4101中,层压板允许的弓曲和扭曲值是

16、以百分率来表示的,而GB标准是换算成1O00mm时的值mm来表示.2.2.4.6PC.4101A与GB厂r4721.92在榆测指标值上的差异表1.IPC标准层压板允许的弓曲和扭曲值单位%层压板厚度O.5tO.78mm单而板试样尺寸<200mm2.O单而板试样尺寸200.300mm2.O双而板试样尺寸200mm1.O双而板试样尺寸200300ram1.5层压板厚度O.78<t1.67mm单而板试样尺寸<200mm1.5单而板试样尺寸200.300mm1.5双而板试样尺寸<200mmO.5双而板试样尺寸200.300mm1.O层压板厚度t>1.67mm单而板试样尺寸2

17、00mm1.5单而板试样尺寸200.300mm1.5双而板试样尺寸200mmO.5双而板试样尺寸200.300ram1O注:此要求不适用于绝缘材料厚度小于0.50ram的双面覆铜板,也不适用于两面铜箔厚度2差大于.0.065mm的两面覆不同厚度金属箔的层压板.表2.GB/T4723.92,4724.92标准纸基覆铜板允许弓曲和扭曲值单位mm弓曲d扭曲d单而覆铜板双而覆铜板单而或双面覆铜板单而覆铜板I双而覆铜板标称厚度7Om7OlttmCEPCP.22FCEPCP.22F35lttm>35lttmCPFCP01.04CEPCP(G).23FCPFCPO1.04.CEPCP(G).23F05

18、F.IOF05F.IOFO.8至1.2397418181821I181.2以f:至1.6275314141413I141.6以I:至3.22239111111113.2以卜至6.41928811811注:1)最大弓曲和扭曲的要求只适用制造厂的顿面尺寸或切开后的顿面长度和宽度均不小于460mm者2)本表只适用于铜箔标称厚度不大于70um者2.2.5实际榆测中遇到的一些问题处理在实际榆测中,常会出现一些标准上没描述到的情况,笔者认为可以按下面方法处理:2.2.5.1.样品的四个角在同一平面(均同时接触到平台),用IPC.TM.650榆测时,可判断该样品无.20.扭曲,只测弓曲.2.2.5.2.样品

19、变形呈波浪状,样品放于平台上时,样品的一条边与平台有多点接触.笔者认为这种板不适宜于作印制电路板,按IPC标准可判断该样品翘超差.采用GB标准测量时,取S形20o5年第6期覆铜板资讯变形的最长部分,测量该部分的边与直尺的下表面的最大垂直位移,除以与直尺接触的两个接点之间的距离,计算该样品的弓曲值.采用悬挂法测量时,可参照执行.表3.GBfr4725.92标准玻纤布基覆铜板允许弓曲和扭曲值单位mm弓曲d扭叶d标称单丽双丽单而双面厚度覆铜板覆铜板覆铜板覆铜板35m>35m70m70m0.81.227371224121I21.618301220121.63.29l681283.2-6.49l6

20、8128注:1)最大弓曲和扭曲的要求只适用制造厂的板面尺寸或切开后的板面长度和宽度均不小于460ram者.2)本表只适用于铜箔标称厚度不大于70m者.2.2.5.3.试验平台选用,GB标准中测试平台的长和宽均不小于1100mm,可用j=级精度金属平台.笔者认为还是采用尺寸稳定性较好的厚大理石或花岗石制的测试平台较好.而_目.金属平台容易生锈,石材平台不会生锈.2.2.5_4_在标准中,对单面覆铜板翘曲的表达,对覆箔的那一面是凸向上的,表示为+(即正翘),对覆箔的那一面是凹向下的,表示为.(即负翘).在实际生产中,单面纸基覆铜板多数为正翘,而单面玻布基覆铜板多数为负翘,这与基材热膨胀系数不同有关

21、.2.2.5.5.F1于IPC一4101A标准对层压板翘曲度定义及测试力法描述比较详细,建议采用或参照IPC.4101A标准来检测层压板翘曲度.2.2.5.6.南于IPC标准对基板翘曲度是以百分数表示的(也可以用翘曲值mm表示),而国标及其他标准对基板翘曲是以毫米值表示的,检测方法和表示法完全不同.在具体应用时一定要先说明采用什么标准.2.2.5.7对于刚性不足或比较薄的板,南于悬挂法会加大变形,平放法会减少变形.对此类板翘曲榆测方法与标准要求,应由供需双方协议.如可将样品破坏,则可将其裁切成小板,减小变形影响.按IPC.4101A标准榆测.弓曲测量:通常以花岗石或大理石作一平台,将要榆测的覆

22、铜板的凸面向上,平放于平台.21.上,在自,由状态下观察其四个角是否均接触到平台.此时可用两个适当重量的砝码(也有用手指)压住没有接触到平台的翘曲的角,及与之对应的角,以免压住一个角时对角又翘起.此时覆铜板的四个角均接触到平台,按弓曲测试方法用塞规测量样品下表面与平台的最大垂直位移,计算样品的弓曲百分率.有时候,有些样品翘起的二个对角在一个平面,而另二个对角是在相反的另一个平面,用砝码也无法使样品的四个角均接触到平台,这种情况可判定该样品无弓曲,只测扭曲.扭曲测量:将样品自南状态落于平台上,并正反面翻转观察,如果是_一个角接触到平台,一个角翘起,用塞规测量翘起角下表面与平台最大垂直位移,计算扭

23、曲百分率.如果是只有两个角接触到平台,可用适当重量砝码压住不接触平台的两个角中的一个,使三个角接触到平台,测量翘起角与平台间的最大垂直距离,计算扭曲率.此时南于是施压使不接触平台的二个角中的一个接触平台,使扭曲垂直偏离增加一倍,计算扭曲率时分母应乘以2.如果样品的四个角都同时接触到平台,翻转样品时,四个角都不接触到平台,或只有一个角接触到平台,此时可判定该样品无扭曲.3,翘曲产生的原因分析造成覆铜板翘曲的因素很多,不论纸基覆铜板还是玻纤布基覆铜板,产生翘曲的主要因素都是应力.应力的产生与树脂配力,设备条件,原材料种类及原材料品质因素,覆铜板的生产_T艺条件相关;也与PCB制程中PCB线路分布均

24、衡性,PCB制程及电子元器件安装条件等相关.3.1树脂配方的影响树脂配方的设计主要为树脂,田化剂,促进剂的种类及用量的选用.应力的产生与树脂或固化剂分子链的柔顺性,同化剂进程,树脂交联度与产品固化收缩率相关.3.1.1分子链柔顺性影响:分子链比较短的树脂或同化剂,分子链柔顺性比较差,制品容易翘曲.分子链比较长的树脂体系,分子链柔顺性较好,其制品平整度也2005年第6期覆铜板资讯就比较好.最为明显的是当在酚醛树脂中引入了桐油.合成了桐油改性酚醛树脂以后,南于桐油的分子链较长,柔顺性很好,固化后制品内应力较小闼而使纸基层压板,覆铜板的平整度得到明显改善.在玻纤布基层压板,覆铜板上也不乏相似范例,这

25、里不一一列举.3.1.2树脂同化交联密度影响:树脂固化交联密度比较大的树脂体系,制品的内应力也较大,产品在存放过程中因应力释放而将逐步加大翘曲.或在PCB制程中,因受热或外力作用也会使产品加大翘曲,这种状况,在耐热性层压板与耐高温覆铜板中比较明显(为了提高制品耐热性,经常选用多官能基团高分子材料,树脂同化交联密度提高,提高了制品热分解温度,但也增大了制品内应力,此类制品翘曲度相应也较大).3.1.3固化进程影响:同化进程比较快的树脂体系(与固化剂,促进剂种类及用量相关,也与制品层压或加_丁过程升温速率相关).生产过程中南于应力来不及释放,使制品在存放过程中或在PCB制程中因应力逐步释放而增大产

26、品翘曲.3.1.4树脂体系的同化收缩率影响:树脂体系的同化收缩率越大,制品的内应力越大,制品越易产生翘曲.分子链比较短或交联密度较高的树脂体系,其同化收缩率都比较大,所以其制品也较易翘曲.酚醛树脂是同化收缩率比较大的一类树脂.南其制取的产品的翘曲度就比较大,所以现在很少用纯粹的酚醛树脂制取覆铜板,多数采用改性酚醛树脂制取覆铜板.3.2原材料影响原材料对层压板及覆铜板翘曲度影响可分为同定因素和品质因素.所谓冈定因素指该因素与所用材料特性直接相关,所以说该因素是同定的.所谓品质因素指与所用原材料的品质相关.3.2.1同定同素覆铜板主要由铜箔,基材(纸或玻纤布),粘结剂组成的.覆铜板在热压成型时,经

27、历了由低温高温冷却降温过程.以FR一4产品为例:铜箔的热胀系数CTE为1.7x10,双酚A型环氧树脂的CTE为8.510,玻纤布的CTE为5.0410.环氧树脂的固化收缩率是玻纤布的十几倍,是铜箔的五,六倍.覆铜板在加热压合,降温冷却过程中,南于三大材料的热胀冷缩差异很大,而日.玻纤布的纵向与横向同化收缩率还有差异.这些差异势必使产品存在较大内应力,而导致产品翘曲变形.南于这些因素是固定的,导致覆铜板翘曲问题很难根本克服.对于没有铜箔的层压板,存在树脂与基材CTE差异而使产品翘曲变形.南于减少了铜箔影响,其变形程度比覆铜板会稍小一些.对于以不同材料制的纸,其同化收缩率是不相同的.如以棉纤维制取

28、的纸的同化收缩率就较大,以阔叶树制取的纸的同化收缩率比针叶树制取的纸收缩率大等情况,对基板翘曲度造成不同程度影响.3.2.2原材料的品质因素以纸及玻纤布为例,用不同厂家生产的纸或玻纤布制得的层压板,覆铜板的翘曲度的差异很大.在纸基板方面,纸的密度,厚度分布的均匀性,对胶液的浸透性等技术指标,对制品翘曲度都有很大的影响.不同造纸厂南于其所选取的纸浆不同,或抄纸设备不同,抄纸生产技术不同,导致不同厂家的纸的质量差异.用较差质量的纸生产的产品的翘曲度就较大.在玻纤布方面,以前FR一4用的玻纤布是用并股加捻纱织造成的.加捻的纱存在很大应力,用这种布生产的产品翘曲度比较大.玻纤布在织布前需要先整经.在整

29、经时,每条经纱都需用张力控制仪使每条经纱的张力一致.南于张力控制仪较贵,有些织布厂没配置,导致玻布因张力不一致而出现布面有松紧边,凹肚等现象,这些都会造成层压板,覆铜板翘曲变形.自从出现了单股无捻纱,以及较有规模的玻纤布厂整经时,均使用了张力仪调控每条经纱的张力,并用喷气织机代替有梭织机以后,玻纤布的外观得到明显改善.玻布面的松紧边,凹2005年第6期覆铜板资讯肿现象已基本不存在,玻布质量大大提高.大大减小了制品的内应力,这才使玻纤布基覆铜板的平整度得到明显改观,并使FR.4型覆铜板翘曲度可达0.7%水平或更高水平.其它材料对覆铜板平整度影响虽不及纸,玻布基材那么明显,但用不同厂家的铜箔或树脂制得的产品的平整度差异还是存在的.3.3设备因素影响对层压板,覆铜板平整度影响比较大的设备为上胶机和热压机.3.3.1上胶机张力的影响基材在上胶机浸胶并烘干过程中,基材受到二个力作用,一个是基材受到设备牵引力,它是纵向的.一个是基材浸了胶烘干以后,树脂到达B阶有一定收缩率,它与纵向牵引力相反.上胶机牵引力越大,基材变形残留应力越大,对覆铜板翘曲度影响也就越大.上胶过程牵引力的存在是绝对的,张力调节仪的使用只是减小了牵引力而已.3.3.2上胶机缺少有效的粘度控