[发明专利]一种精确表征多层电路板热机械材料参数的方法

说明书

一种精确表征多层电路板热机械材料参数的方法，属于热机械材料参数技术领域。本发明方法包括：(1)制备简易二元或三元结构多层电路板；(2)制得高质量截面，在截面上喷涂黑白相间的斑点，得到样品；(3)对样品加热，通过表征获得截面的位移分布A；(4)根据样品的结构和实际尺寸，在仿真模型软件中构建模型；(5)输入热机械材料的热物性参数，设置相同的加热的温度，进行有限元仿真计算，获得截面的位移分布B；(6)将位移分布B与位移分布A相比较，反推获得多层电路板热机械材料热物性参数。采用实验与仿真位移对比的方法，反推获得印制电路板的详细热机械物性参数，结果准确性高，数据获取过程已经对数据的准确性进行了验证。

技术领域

本发明属于材料参数表征技术领域，具体涉及一种精确表征多层电路板热机械材料参数的方法。

背景技术

随着国民经济增长的需求以及信息技术的飞速发展，电子产品不断向小型化、轻量化、高性能、多功能、低成本等方向发展，而几乎所有的电子产品都需要印制电路板的支持。印制电路板的常用英文缩写为PCB(Printed circuitboard)或PWB(Printed wireboard)，是芯片与电子元器件的支撑体。印制电路板内包含金属导体作为连接电子元器件的线路，并且在金属导体间安置介电材料，实现绝缘以及避免信号串扰的需要。此外，印制电路板整体需要具有足够的强度与刚度以避免大幅机械变形，目前主要通过在印制电路板中部设置较厚的“核心层”予以解决，“核心层”主要由玻纤与树脂、填料组成。当前，以有机材料为主体的印制电路板已成为业界主流。

在封装结构中，由于印制电路板与硅芯片、金属盖、环氧塑封料、焊接材料、底部填充胶等组元之间的材料特性不同，比如热膨胀系数、杨氏模量等物性参数存在较大差异。这导致封装整体在升温回流或温度循环等过程中产生变形，并且在各连接界面及焊点等部位产生应力。一旦变形或应力超过了材料及界面所能承受的阈值，很可能会导致封装结构发生失效，并引发难以估计的后果。因此，在封装设计环节即需要提前评估封装结构的热机械可靠性。其中，印制电路板的热物性参数，如模量、热膨胀系数、泊松比等，是影响封装整体变形及焊点可靠性的主要因素之一。

目前国内外对于印制电路板的材料表征及可靠性已做了比较多的研究，比如采用动态热机械分析仪(Dynamic thermomechanical analyzer,DMA)表征多层印制电路板的宏观整体模量；采用热机械分析仪(Thermal Mechanical Analyzer,TMA)表征印制电路板的宏观整体热膨胀系数等，并且通过多种可靠性试验(如温度循环，多次回流，高温高湿等)或有限元仿真方法，来分析含有印制电路板结构的封装结构的具体失效现象及原因。此外，还可通过纳米压痕、原子力显微镜等微观表征技术，获得印制电路板微观局部区域的材料参数。基于导电、导热、机械支撑及环境保护等多方面需求，印制电路板实际上由多层结构构成，如图1(a)，主要包括铜导线层与介质层，二者的热物性参数(如模量、热膨胀系数)存在较大差异，印制电路板整体的热物性参数可看作二者的叠加组合。进一步，铜导线层具有一定的线路图案，如图1(b)，即在铜导线层只有一部分是由铜组成，可以用残铜率来表征。残铜率即代表铜线占据的面积占各层总体面积的比值。实际上每层的残铜率会各不相同，这由电互连及散热等需求所决定。

现有技术如动态热机械分析仪、热机械分析仪，可以表征印制电路板的整体模量及热膨胀系数，但无法考虑印制电路板实际的多层精细结构及各层的材料物性参数，这可能会在后续的有限元仿真计算中导致一定的偏差。而如纳米压痕、原子力显微镜等微观表征技术，可以获得微观局部区域的材料参数。然而，一方面这类微观表征技术成本高昂，另一方面，由于微观区域材料参数往往散布较大，易受测试条件及样品质量等影响，亦可能导致与实际宏观物性参数存在偏差。

本发明目的在于提供一种低成本高精度的宏观表征方法，以获得多层结构的印制电路板的详细热物性参数。