1、北京绝缘材料厂祝大同1.笔者开头的话纸基覆铜箔板的低温冲孔加工性,是一项重要的应用特性。它的低温冲孔性优异,可使所制的PCB尺寸精度有所提高。特别 是近年来,随着电子产品向着“小、轻、薄”型化发展,使PCB不断向高密度化迈进,把板的冲孔后尺寸精度性能摆到更重要的位置。日本日立化成公司,在8 0年代末,9 0 年代初,推出适应于低温(室温)冲孔加工性的纸基覆铜箔板改进型产品M CL一43 7F(EX )。使这种FR一型纸基板,由原产 品 (MCL一43 7) F最适应的冲孔温度6 0一90,降低到15一50。改进后的产品冲孔温度下限温度比原产品降低了4 5,并扩大了冲孔温度的应用范围。使板的冲孔
2、后的尺寸精度有所提高(详见图1所示)。这种改进后的纸O横向图1.MCL一437F(EX )尺寸变化率很高价值的理论研究成果。从中也可粗略了解到他们在此方面试验研究的足迹和一些试验的思想方法。为此,笔者将这个理论研究内容介绍给读者。想必会给我国覆铜箔板制造业的同行们以及C PB业搞单面板(纸基)设计、加工制作的广大工作者带来启发和帮助。我国纸基覆铜箔板制造技术与日本一直存在着很大差距。而且这种差距,这几年还有扩大的趋势。存在差距的原因是多方面的。但有一个重要方面,就是在新产品开发和产品性能改进的试验 中,缺乏从理论方面的研究和指导。就此方面差距来讲,研究和发表日本在此方面的理论研究成果,就具有更
3、深层的实际意义。下面介绍的日本日立化成关于提高低温冲孔性方面的理论研究 内容,笔者综合了两篇论文 川、川,在保持内容中观点、论据、试验内容不变、不缺 的原则上,对该研究内容做了重新的调整和文字上的组织。以便于读者更好地理解和认识。2,日立化成在提高纸基覆铜箔板低温冲孔性方面的理论研究2.1问题的提出纸基覆铜箔板(以下简称MC) L冲孔加工中,常出现的质量缺陷是:孔间裂纹、层间分离、孔周围出现 白圈(国内俗称:“泛 白眼”)等。这些质量缺陷发生的情况及位置见 图2中所示。在低温下冲孔加工,特别容易发生裂纹问题。它主要发生在两孔间(特别是 I C 孔间)。冲孔时冲针对MC L所作的剪断功,大部分是
4、以热的形式在MCL上不可逆地被散逸。另一部分印制电路信息基板,自九 十年代初投放于我国市场后,很快就得到很多用户厂家的好评。关于MCL一43 7F(EX )产品在冲孔特性等方面,笔者已在过去撰写 的文章中有所详细的论述。工井川在此文 中,主要介绍 日立化成的工程技术人员通过深入细致地试验研究所获得的翻箔与葺咖剪断力转为残留的应变能导致裂纹的产生。这种裂纹是在MC L的表面层 产 生的应变能达到临界值时造成的。也可认为是一般的临界值应力所影响的。MCL的物理性能以及断裂应力、断裂应变、10.08.0(kgf/哑)42.0.2U.40.60.81.0仙刀冲针行程Sl卜Lonnon图3.剪断力下和冲
5、针行程S的关系曲线平面图(2)。式(2)中的t,是达到最大剪断力时,冲针 的深入板的层 间厚度。99.4孔间裂纹层 间分离白圈dsU S一 J六T.甲 二一。L式(2)侧面图图2.MCL冲孔加工常出现的质量问题丫方拉向伸应变量。弹性率等也是影响冲孔时产生裂纹的重要 因素。本文研究的侧重面 是应变能,但同时考虑到应力、应变的因素。2.2冲孔时产生的三种能及其变化在冲孔时,对MC L产生 了三种能,即剪断应变能(Us )、表层拉伸应变能 (U:)、面内拉伸能 (Uf)。下 面将论述这三种能的求取、变化规律之间关系及对低温冲孔产生裂纹的影响。2.2.1剪断应变能(眺)冲孔加工 时,应变能是冲针与M
6、CL两方面同时造成的,故要考虑与之有关的剪断应变能。剪断应变能与冲针所受到的压缩应变、冲针行程量有关。计算剪断力(劝为式(1)。其中冲针所受到的压缩应变,是通过在模具冲针一上装有应变仪表而测定的。测定温度为2 0。2.2.2表层发生的拉伸应变能(比 )对于单面覆铜箔的MC L,低温冲孔所发生的裂纹,发生在铜箔的一侧居多。这是通过装在板的表层部位的应变测定仪表和利用特殊的模具进行冲孔试验,而得到的测定结果。此结果见图4所示。从图4可 知,冲孔 开始 后先产生 塑性变应变仪表的位置巡巡巡巡巡巡巡巡巡巡巡巡巡巡巡巡巡巡巡巡巡巡巡巡巡巡讨宁宁尸尸产尸一一下下下下下下下下一一!;一一八八八八八八八八/
7、/ / / / / /捌捌卞卞/ / /一.一二、/.一-一一一一l l l去去(X1 0一“)400.408;,针行程( 】 L 川)图4表层部位发生的应变量的测定印制电路信息,Ep.兀r2兀rt式(1)式中:一冲针所受的压缩应变(一);Ep-冲针的弹性率(kgf/n l n IZ);r一冲针的半径(n n I T);t-板的厚度(n u n)。通过式(1 )求取出剪断力(劝,就可得到剪断力冲针一行程(即深入的板厚)曲线(见图3)。将图3的曲线 中,从冲孔开始(行程S二0 )到最大剪断力临纸)为止,曲线所围的面积,定义为剪断应变能,它用US表示。它的计算按式化。在测定部位A、B、C三点产生X
8、方向的拉伸应力。并有反冲针产生 的力的方向。有压缩应力产 生。在Y方向的拉伸应力也迅速地增大,直至达到最大应变量。它所产生的能,至使孔间出现裂纹。可设定这种最大应变产生的能为拉伸应变能。用U表示,计算公式如式(3 )所示:U。二上EoaZ式(3)式中厂:一Mc:的面内拉,申弹性率由此可求出三个部位(A、.B、)C 拉伸应变能切旬。并从试验结果中得出如下纬论:(1)测 定部位A的Ue是B部位U的2倍以上。(2)冲孔时,其行程距离越短,U越小。表层部的拉伸应变能(U日是冲孔中对MC L剪断结果而产生的应变能。它与剪断应变能US有着密切的关系。通过测定Ue和US可得到它们的相关系数,示于表1中。尽管
9、不 同位置 的相关系数有所差异,但总体说明U和US之间的相关系数是很高的。表IU和US之间关系测定部位相关系数A0.9 00B997C0.936从 以上结果可 以看出,形成孔的冲孔加工,造成了剪断应变能。它的很大部分是发生裂纹方 向(Y方 向)的拉伸应变能。因此拉伸应变能的临界值,可从图4所示的Y方 向面内拉伸能(Uf)测定 出。2.2.3面内拉伸能(Uf)图5所示是用试验板条,通过对它拉伸试验的测定,得到应力卜应变的曲线。在这个曲线中,由于O到=K(破坏应变)的面积,可得出面内拉伸能Uf。见式(4 )所示:U:=凡6d。式(4)蚀刻掉,用专用的特殊模具作冲孔试验。该试验模具,设计有不同的孔径
10、师0.6、0.8、1.0、1.Zu n n)、不同孔 间距(1.27、1.78、1.89、2.00、2.27l n n I) 的冲针。一排相同孔径、孔间距的孔为六个。冲孔后质量评判用评分的方式看其这个孔间隙的位置上出现裂纹状态程度(图6所示了评分标准) 加以评分。最好者是在五个孔间隙中都没有裂纹,评 为满分,即10 0分。这项试验研究所得到的结果示 于图7中。图7(a )表示了裂纹状态的评 分与剪断 应变能(Us)之间的关系。US越小,裂纹程度越轻。且这种相关系数较小 (0.5 7 4 )。图7(b )表示了裂评评分分20 0 015 5 5l 0 0 05 5 50 0 0图图 例例回回回口
11、伺伺的的鲍鲍脚脚无裂纹微小 裂纹孔问不通薄裂 纹孔间已通焊盘未断孑 L间已通焊 盘已断孔 间已通于七司距1.78朋一;十-与阁晌隔宽度相之等锻溅、2.3降低产生裂纹的条件如 果假定在冲孔加工剪断过程中引起裂纹的表面拉伸应变能(U)是与达到临界值 的面内拉伸 能(Uf) 同时发生的话,我们可以找出防止冲孔裂纹 的一个条件式,即式(5 )所示:UlU式(5)从表1中,可知表层拉伸应变能(U日和剪断应变能 (s U ) 的相 关系数 很高(0.90 )。因此可以图6.不 同孔 间裂纹程度 的评 分标 准纹状态的评分与面内拉伸能 (Uf)之间的关系。这种关系是正 比关系,Uf越大,裂纹程度越轻,评分越
12、高,但相关系数也不高。图7(c )表示 了裂纹状态的评分与Uf/US值的变化关系。当Uf/US越大,裂纹程度越轻,评分越高,且这种相关系数较高(0.94 2)。以上试验结果可 以看出:当冲孔时产生的剪断应变能(US) 小的板材,在它的表层部位,生成的拉伸应变能(U日也小,对应于在Y方向产 生的U。而产生的临界值的面内拉伸能(Uf) 大的板材,生成的裂纹程度轻。因此,选择Uf/US大的树脂、纸基材生产MC L或通过对MCL的改进,提高UfU /S值,是提高低温冲孔性的有效途径。应该还看到,MC L在 实际的冲孔加 工中,还有诸如冲针直径不同、MCL的弹性率不 同、MCL所制的PCB图形有无焊盘等
13、因素,它 们也影响着冲孔时的裂纹程度。下面研究了这些影响因素问题。2.4冲针直径、焊盘、弹性率与三种能的关系2.4.1与剪断应变能(U S)的关系(1 )冲孔过程 中的应力分布研究在冲孔过程中,从冲针一侧到凹模一侧有个应力传播问题。这使得在冲孔中一般会出现初期裂纹和二次裂纹的过程。通过“有限因素印制电路信息图5试验板条尺寸系。在这项试验中,研究一 下Uf、US和不同物理特性的M CL冲孔 裂纹情况之间关MCL试验样品将铜箔全部法”闭试验,去研究测定冲孔初期产生的剪断应力的分布曲线(见图8)。此试验是把MCL看作一个理想的弹性体。图9示出两种应力的比不 同直径冲针所产生的裂纹过程特点,可用从冲针
14、侧到凹模侧的应力传播性的差异来解释冲针直径为拟.0的,这种应力传播性是高的。左一,一n U一声万示一. . . . .卜. . . . . r.- l L.八曰八八口民U产气U舟峪人裂纹评分汀60相关系数一。.574相关系数0.824裂纹评分纹裂评分30瓦.30t,0.60.7(a)(kgf/m oZ)Us(b)图7裂纹程度(评分)与U:、O(10Uf、一Uf3昨,一一一JUs/Uf之kgf。而)0.60.81.0(10一l)r U /U的关系c ( )它从初期裂纹产生过渡到二 次裂纹,其速度快。它的冲针行程约在0.2一0.3l n n I时,产生最大的剪断力。实际上,所形成的孔是在压缩作用时
15、产生裂纹。冲针直径帕.6m l n的初期裂纹发生 比较早,而从冲针侧到凹模侧的应力传播,口(匕中 针径冲针 径中O二搜丝望卫一里坚里竺nU八Ul l n n曰n勺.八日,n八召UJ任n乙J,上、内.剪断力物(匀T,)与冲针直径的关系试验的结果。从中可以得知冲针侧、凹模侧及其边缘附近迅速产 生的剪断应力(即冲针侧边缘的应力l T和凹模侧边级的应力T:)。它们的方向与初期裂纹和二次裂纹的方向是一致的,并且旬t、之比还受到冲针直径的影响。当冲针直径越小,2 TT /,就越小。即凹模侧所得到应力传播,在冲针直径小时是低的。( 2 )冲孔产生裂纹的特点 与冲针直径的关系。工C孔间距一般为1.78u n
16、n,冲针直径一般为中0.8一1.0恤。不 同冲针直径,它的冲孔剪断力冲针行程也有所不同。图1 0示出直径中0.6和叨.0冲钊一与剪断力冲针行程的变化关系曲线。冲孔最大剪断力,中0.6冲针的行程要比拟.0的长近3倍。当冲针直径越小时,最大剪断力的冲针行程就越大,US也就越大。在研究冲针行程的不同深度部位发生裂00.10.20.30.40.50.60.70.80.9冲针行程(咖)印制电路信息厂厂一义弋犷- - -又又丫万万、 、一尹二二一一,/一. . .0.81.62.盛3.2单位( 馆f/咖勺图8剪断应 力的分布 曲线冲针直径(m m)图9冲针直径 与两种应力的比的关系纹方面,可用1.7 8l
17、 n n I孔间距 的可改变冲压力的冲孔试验设备 和模具进行试验。采用叭.0直径冲针冲孔时,发生初期裂纹后,就会立即再发生二 次裂纹,即两次裂纹发 生的位置间隔很近。而中。.6冲针,这两种裂纹的发生间 隔相对要远些,同时初期裂纹发生得更早些。这种图1 0不 同冲针直径 与冲针行程 的关 系比较低,发生二次裂纹是圆形裂纹,由圆形裂纹的压缩,而发生裂纹。冲针行程在0.6一0.7m m时为最大剪断力,并形成孔,裂纹发生的位置比似.Ol n n T冲针的板的层间深度大。图H是冲孔发生裂纹发生特点、位置与冲针直径的关系。(3)焊盘存在与否与US的关系在MCL上制成PCB后冲孔加工,孔的焊盘(La nd
18、)是否存在对US有所影响。图1 2 是这种影响的对 比试验结果。从图1 2中看出:无论是有无焊盘,冲针一直径大者,US就小。同时,焊盘存在的要比无焊盘存在的所产 生的s U大。U与US相关关系很高,US大者,Ue也大,裂纹发 生现象也严重。lC间距一定时,当冲针直径大的情况下,孔间距变小,裂纹易发 生。在有焊盘时要比无焊盘时裂纹程度有所增大,可 见材料的弹性率妞)小的材料,裂纹程度轻。它们之间的关系见图1 3所示。从图1 3中,可得到关系公式(6 ):Us(有焊盘)Us(无焊盘)二(1.30火10一3)E+(5.00只10一,)式(6)冲1O程行0.8程(:m)0.61初期厂/气愧卜涉了胃乏严
19、铲缨转弃牡:二次孟、/00.10.2 0.3 0.4050.60.7 0.8 0.9冲针直径(田 )图1 1冲孔发生的裂纹发生特点、位置与 冲针直径的关系2.4.2与表层拉伸应变能(比)的关系上文表1示 出拉伸剪断能(US)和表层拉伸应变能(U日具有很高的相关关系。这种相关系数在所冲的孔的不同位置的顺序是:BCA。其中A点是两个冲针 间相互作用大的部位。这种相互作用是冲针直径、板材弹性率所造成的影响,在冲针直径一定的情况下,拉伸应变能和拉伸剪断能之比(U E/s U),与板材的弹性率的关系,见图1 4所示。从图1 4中三条线的变化可以看出:B、C两点U日US与弹性率变化关系基本是恒定的。A点弹
20、性率小时,U创US亦小。A点U创US,与弹性率() E关系示于式(7 ):O一弹性率以kgf/二2)图1 4U。/U;与弹性 率E的关系U(孔间中央部)u去(有焊盘)二(6.02x105)E一(6.72x10一3)式(7)2.00图巧所标识:孔间中央部位为人孔壁部位为A,Y方向是垂直于A、A连线的方向)的拉伸应变能(U日进 行分析。口用一般MC L静态弹性值。白对孔的压缩力,被认为是负荷最大时的剪断力的测定值(8.okgf/u n I I“)。由此可得到图1 6的测定结果,可 以确认 以下两点:(l )孔壁部A发生的拉伸应变能(U动最大。裂纹发生的起点是在孔壁部位。(2 )不同冲针一直径,U。
21、也不同。中0.6u n n的U。是中1.om m孔的Ue的1/3。冲针直径越小,孔间距就越大,两孔间相互作用就越小。2.4.3与面 内拉伸能(f U)的关系MC L所制成的PB C图形,大多是设有焊盘的。因此与无焊盘的PCB相比,冲孔时的剪断应变能(s U)是较大的。同时,它 的面内拉伸能(Uf) 也是较大的。图 1 7所示了测定U:的试验片的图形(见图17(a )。细长条状试验片的两侧端上残留着铜箔。四种试验片,采用 不 同的残铜率:O%(对应于 无焊盘PCB图形情况)、3 3%、66%和10 0%(全部有铜箔)。用这种试验片所测定的面内拉伸能(Uf)的结果,见图1 7(b )所示。从中得出
22、:(l )有焊盘样品要比无焊盘的Uf要大。(2 )残铜率越高(即焊盘直径越大),Uf就越大。(3 )所冲的孔径越大,残铜率大小的差异对板材的U:影响越小。在冲针直径一定(训.Sl n l n)的条件下,有焊盘和无焊盘两种MC L制成的PCB材料与它的弹性率关系,可见图1 8试验结果。图1 8中,Uf(有焊盘)和U:(无焊盘)之比(Uf/Ur) 与弹性率() E 的关系为3.5一4.0范围。2.5最适于低温冲孔的MC L物理特性在无焊盘的条件下,要降低低温冲孔时的裂纹程度。如本文2.3节中所述:UfU /S值大,是有效的。在2.4节中分别研究、分析了冲针. . 3 5 3 0卜南甲/又工矛/1
23、7 51 5 01 2 5 1 0 0盘焊/有/、八、卜八。藏0.7502 5 划1 5资门- - -二 日00 0.6 0.51.0冲针直径(m)尺夕0400600800图1 2冲针直径、有无 焊 盘对US的影响 图13Us/Us与E的 关系图14的试验是用直径解.0冲针、孔间距为4.Ol l u n的测定结果,可相应地换算成1.78m m间距、中0.89l l u n冲针直径的情况。当孔间距一定时,测定冲针不用直径的冲孔应变是十分困难的。图巧 是建立一个平面假定模型和利用“有限因素法”来进行检测 的。即在测定、研究不 同直径冲针、不同部位与拉伸应变能(U日的关系时,有三个限制条件为前提:曰
24、假定在冲孔初期,对孔产生的只是单纯 的对孔壁部分的压缩应力,只对孔间的Y方向(见制印电路信息戳戳戳仁仁 口口口口口口口口口J J J J J J J昌昌卜卜卜卜卜1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1水介予任.们2! ! ! 留一一睁睁 ) ) ) ) ) ) ) l 奋奋奋l l l l l l l l l; ; ; 孔孔孔孔孔孔孔孔孔孔间磷乙乙冲冲针针针孔壁壁壁部(0.79咖) ) )中中心心心部位位位位以冲针 中心为起点的距离图16U与冲针直径关系(计算结果关系曲线)注:其中:弹性率二7 38 kgf厂m耐孔间距习.7 8咖泊松比二0.39负重二8.0kgf/
25、咖2板厚=1.6m m图15u与冲针 直径关系( 不同位置比分布,用网格表达图)直径、有无焊盘、材料的弹性率() E与三种能US、U、Uf的关系,得出一个重要结论US在表层的孔壁部位为最大。所以有焊盘存在的C PB,要想在冲于 L加工时(低温下)降低裂纹程度,其条件是:U(有焊盘)U /(孔壁部)的值大。当冲针直径喇。.89m n I时,由式(7 )可求出以下关系式(8)一(13):U(孔间中央部)=(6.0 2x10一5)E一(6.72米10一3)XUS(有焊盘 )式(8)由2.4.2节中图15的试验结果,冲针直径为中0.sm m时,us(孔壁部) 可换算为下列式(9):屹(孔壁部)忍.1
26、9x咙(孔间中央部)式(9)由式(6 ),冲针直径为帕.81 1 1 1 1 1可得式(10 )印制电路信息冲冲” “径I I I!。6。 。0日n n n100 0 0残残 ,、 。 .:、31 1 1 ; r r r51 1 1翰川川冲针趁上补 令IDJ改工卜门乙,l面内伸拉能uf08X10比盯咖勺。5 0100无焊盘-一有焊盘. . . . .一一. . . . . . . . . . .示示2子子怪怪怪句句.8 8 8困试验 结果残铜率% ( )040060 08 00弹性率(kgf。 m,)熟子、 洲了护 +Z孔 、 , ,l一Il w e | |J卜式洲杨乡一.料嘴匕!a (名夕r
27、 入、刹D试铜图17冲针直径、有无焊盘与Uf的关系图18U扩/U;与E的关系(冲针直 径帕.5 )U(有焊盘)=(1.3OXIO)E+(5.OOXIO一)JxUS(无焊盘)式(10)还 可 以从2.4.3节 中的试验结果,得到:叮(有焊盘)=3.70 xUf(无焊盘)式(11)由式(8)、(9)、(10)、(11),冲针直径为中。.sm m,可得到式(12)的关系式:耳(有焊盘)、Uf(无焊盘 )下万不弃屯万二灭二K(E)X不不下二品几不式(12)U。(孔壁部)一U:(无焊盘 )扎“其中K() E为:3.70K(E)二而而而而而而不丽丽而而万而丽而式 (13)覆铜箔纸基板的低温冲孔特性,可用弹
28、性率() E 和U r/US值来表 示。图1 9是表示 了材料的弹性率(E) 和K() E 的关系。即当弹性率越小,K() E就越大。有焊盘的板材,冲孔后裂纹程度(以评分为表示)和 公式(12)的关系见图2 0。从图20试验结果 可 以看出:式(1 2)的K() Ex(f U/Us) 与裂纹评分的相关系数(见图20(b),要比Uf/US与裂纹评分的相关系数(见图2 0(a )有很大的提高。总而言之,在有焊盘的P CB设计的条件下,所提供的MCL基板材料,要使它低温冲孑 加工中消除裂纹或降低它的裂纹程度,就要求它的物理特性是:弹性率(E)小;面内拉伸能和剪切应变能之比(Uf/US) 的值大,也就
29、是实现式(12)K(E)x(Uf了Us)的更大值。钡箔与星初99、4参考文献:1.祝大同:“亚洲几 大厂家覆铜箔纸板应用性能的研究”,绝缘材料通讯,9 5年第5期。2.祝大同:“提高覆铜 箔纸层压板冲孔性的探讨”,绝缘材料通讯,94年第1期。3.(日)池田谦一等:“室温冲孔加工用的X P CF R板材的开发”犷廿一戈少卜夕夕/口乡”,29 8 8年第6期4.(日)安尺等:“室温冲孔用 阻燃型纸基酚醛层压板”日立化成尹夕二 力片卜不一卜,198 8年第1 0期。/、一.数一.侧产万尔一J了.关.0;.相l浏产. . . . . . . . . . . . . .皿n曰弓n U乃65LO止l/土裂
30、纹评分12010 0裂60纹评5 5分n 曰n 思国水夕于任阅.8子“矛04 0 06 0 08 0 0弹性率E(kgf/m mZ)图19K(E)与弹性率的关系(冲针直径中0.8 )001.2 0(1 0)U/Us10.02 0.0K(E)UI/Us(a )裂纹评分与U./US(a )裂纹评分与K() E(Uf/Us )图20裂纹评分与Uf/USK(E)(Uf/U:)关系封面说明:OLECAX一28曝光机简介特 新企业有限公司隆重推荐 的美国OLEC全自动双面曝光机受到世界各地厂家热烈欢迎。其优 点有:(l )镭射激光对位( 4)操作简易(6)低成本、高效益( 2)先进冷却控制系统(5 )高精度光源设计(7 )高生产量( 3)机身轻巧欢迎行内人十垂询。特新公司在上海及深圳均设有办事处,将对 客户的要求提供最快速的回应及服务。总公司:上海办事处:深圳办事处:香港九龙青山道70 2号合兴上海市肇嘉派路79 8号90 2 室深圳特区市罗湖区沿河南 路昌湖上业人厦三字楼A座Tel:64 45 0 55 664 4 50 55 7商业大厦B2307室Tel:(85 2)27 42 17 71Fax:6准魂50 5 50Tel:(75 5)2323815尸a x:2786521Fax:(755)2 32 3 795制印电路信息
