覆銅板三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)與脆性表征研究

張君寶 任樹元 吳小連

（廣東生益科技股份有限公司，廣東 東莞 523429）

0 引言

覆銅板生產(chǎn)過程中，檢驗(yàn)板材彎曲性能通常采用IPC-TM-650 三點(diǎn)式加載法：將一定規(guī)格試樣放置于兩支座上，并在兩支座的中間施加靜彎曲力矩，使試樣產(chǎn)生彎曲應(yīng)力和變形；通過壓力感應(yīng)器、負(fù)荷及圖形指示器測定試樣在彎曲變形過程中的特征量，如彎曲強(qiáng)度、彎曲模量及載荷-撓度曲線。本文對各個樣品的彎曲試驗(yàn)結(jié)果展開分析，探究其與材料脆韌性的關(guān)系。

1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

1.1 樣品準(zhǔn)備

以S公司生產(chǎn)的不同型號FR-4覆銅板作為試驗(yàn)樣品，分別?。ˋ1、A2）、（B1、B2）、C1、C2、D和E這8種樣品（見表1），其中括號內(nèi)為同一樹脂體系有/無填料的2 種產(chǎn)品。在實(shí)際應(yīng)用中，A1被評為加工綜合性能最佳樣品；在試驗(yàn)測試及實(shí)際應(yīng)用中，E是最脆樣品；D是隨機(jī)加入對比的樣品。從樹脂結(jié)構(gòu)理論及實(shí)際加工應(yīng)用方面預(yù)判8種樣品的韌性排序?yàn)锳1>A2>B1>C1>D>C2>B2>E。

表1 試驗(yàn)樣品參數(shù)

1.2 測試方法與設(shè)備

（1）測試儀器：德國ZWICK 產(chǎn)Z005 材料試驗(yàn)機(jī)；

（2）測試參數(shù)：參考IPC-TM-650 中彎曲強(qiáng)度，測試速度為0.76 mm/min，跨距25.4 mm，樣品尺寸為76.0 mm×25.4mm；

（3）試驗(yàn)條件：（23±2）℃；

（4）參考標(biāo)準(zhǔn)：IPC-TM-650，2.4.4層壓板的彎曲強(qiáng)度（室溫下）。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 彎曲強(qiáng)度測試與分析

按照IPC-TM-650 中的彎曲強(qiáng)度測試方法對各樣品展開彎曲強(qiáng)度測試，測試數(shù)據(jù)按照下式計算，結(jié)果見表2。

表2 樣品彎曲試驗(yàn)結(jié)果

式中：σf為試樣的彎曲強(qiáng)度，MPa；P為試驗(yàn)過程中的最大載荷，N；L為跨度，mm，本試驗(yàn)所用的跨度為64 mm；b、d分別為試樣截面的厚度和寬度，mm。

式中：Ef為試樣的彈性模量，MPa；p為在負(fù)荷撓度曲線的線性部分選點(diǎn)的負(fù)荷，N；δ為負(fù)荷相應(yīng)的撓度，mm。

2.1.1 樣品經(jīng)緯向彎曲性能對比

經(jīng)向樣品的彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量均大于緯向彎樣品，這與擺錘沖擊情況相似，與覆銅板樣品的經(jīng)緯紗密度有關(guān)。

2.1.2 同樹脂體系，有無填料樣品彎曲性能對比

對于A1 與A2，以及B1 與B2 這2 組樣品，無填料樣品的彎曲強(qiáng)度大、彎曲彈性模量小，且撓度更大，而C1 與C2 這組樣品彎曲強(qiáng)度和撓度基本一樣，但C1 的彎曲彈性模量小于C2。根據(jù)彎曲應(yīng)力曲線模型分析可得，無填料樣品相對屬于“D”型（硬而韌），含填料樣品相對屬于“B”型，即韌性排序?yàn)闊o填料樣品>有填料樣品。

2.1.3 不同樹脂體系，無填料樣品的彎曲性能對比

無填料不同樹脂配方樣品的彎曲強(qiáng)度排序?yàn)锳1>B1>C1，對應(yīng)的彈性模量大小排序?yàn)锳1B1≈C1，依據(jù)彎曲應(yīng)力曲線模型評判A1 屬于“D”型（硬而韌），C1 相對屬于“B”型（軟而脆），B1處于兩者中間，三者韌性排序?yàn)锳1>B1>C1。

在實(shí)際印制電路板（printed circuit board，PCB）加工應(yīng)用中，A1 韌性最好，B1 次之，C1最差，上述結(jié)果符合不同樣品理論韌性推斷及實(shí)際加工韌性表現(xiàn)。

2.1.4 樣品彎曲性能對比

根據(jù)樣品彎曲試驗(yàn)的測試結(jié)果進(jìn)行經(jīng)緯向綜合排序，見表3。

表3 樣品彎曲性能排序

A1>B1>C1>E 符合預(yù)期判斷，但其他樣品的韌性排序并不明顯。由表1可知，A2、C1、C2、D 等樣品的各項(xiàng)測試值差異很小，含填料樣品因其填料種類和樹脂體系不同，填料與樹脂的共混性能有差別，玻纖布層間黏合力差異等對其彎曲性能均有很大影響，需要從更多角度進(jìn)一步判斷。

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

在加載過程中，三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)樣品的應(yīng)力-應(yīng)變的曲線如圖1所示。覆銅板常溫下處于玻璃態(tài)（硬而脆），因此應(yīng)力應(yīng)變過程未出現(xiàn)屈服點(diǎn)。

圖1 荷載力-應(yīng)變的曲線

在高聚物拉伸試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線理論中，當(dāng)σ<σl時，應(yīng)力-應(yīng)變之間保持線性比例關(guān)系，比例系數(shù)（直線的斜率）為材料的彈性模量Ef（參考公式2），整個應(yīng)力-應(yīng)變曲線與應(yīng)變坐標(biāo)包圍的面積是使材料斷裂所需要的單位體積斷裂能W，J/m3，其方程式如下：

式中：σb為拉伸斷裂時應(yīng)力，N；ε為拉伸應(yīng)變距離，um。

這些物理量在彎曲試驗(yàn)中沒有相關(guān)定義，參考斷裂能的定義，采用彎曲載荷曲線與撓度坐標(biāo)包圍的面積評判覆銅板樣品的相對脆韌性，將其定義為彎曲斷裂能w，表達(dá)式如下：

為了更直觀比較曲線包圍面積，引入斷裂能，由各樣品彎曲試驗(yàn)載荷-撓度曲線所得彎曲斷裂能結(jié)果見表4。

表4 試樣彎曲斷裂能

2.2.1 各樣品經(jīng)緯向彎曲斷裂能對比

除B2 外，其他板材經(jīng)向彎曲斷裂能均大于緯向斷裂能，這與經(jīng)緯紗密度關(guān)系較大。

2.2.2 相同樹脂體系，有無填料樣品彎曲斷裂能對比

對于A1 與A2，B1 與B2，以及C1 與C2 這3組樣品，有填料樣品的彎曲斷裂能小于無填料的樣品，可判斷添加填料后的覆銅板樣品韌性變差，這與彎曲試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線模型判斷相符。

2.2.3 不同樹脂體系，無填料樣品彎曲斷裂能對比

斷裂能排序A1>B1>C1，與彎曲強(qiáng)度等特征量判斷韌性排序一致，韌性排序?yàn)锳1>B1>C1，彎曲斷裂能可作為彎曲試驗(yàn)各特征量的綜合表現(xiàn)，但無法確定是否可以直接用于表征各樣品的脆韌性情況。

2.2.4 所有樣品彎曲斷裂能對比

對比所有樣品彎曲斷裂能，排序見表5。

結(jié)合表3和表5可知，脆韌性相差較明顯的樣品，如A1、B1、C1、E 等，排序符合預(yù)判，且重現(xiàn)性較好；但對于C2、A2、D 等樣品，排序不明顯，主要因?yàn)樵摲椒ㄓ嬎阒祵贋榻朴嬎阒?，其斷裂能的?shù)值接近，且受分層影響，所以較難準(zhǔn)確區(qū)分。

表5 試樣斷裂能排序

3 結(jié)語

本文對各覆銅板樣品展開三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，通過分析得出以下結(jié)論：

（1）添加填料后，樣品的彎曲彈性模量得到提升，但同時彎曲強(qiáng)度及撓度均低于無填料樣品，參考“彎曲應(yīng)力-曲線模型”對其脆韌性評判結(jié)果可知，添加填料后樣品韌性下降，與樣品彎曲斷裂能類似；

（2）無填料、不同樹脂體系樣品A1、B1 和C1的彎曲試驗(yàn)結(jié)果參考“彎曲應(yīng)力-曲線模型”評判，其韌性排序?yàn)锳1>B1>C1，與彎曲斷裂能排序一致；

（3）參考“彎曲應(yīng)力-曲線模型”對各樣品的測試結(jié)果進(jìn)行韌性評判，排序結(jié)果與各樣品的彎曲斷裂能的排序結(jié)果接近，但有填料樣品之間的彎曲斷裂能差異不大，尚無法精確排序；

（4）彎曲斷裂能（或被稱為彎曲斷裂功）是彎曲試驗(yàn)中各特征量的綜合表現(xiàn)，對脆韌性的評判有一定可行性。