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      編織纖維復合材料多層印制電路板彎曲分析的有限元建模與仿真

      編織纖維復合材料多層印制電路板彎曲分析的有限元建模與仿真

      L. Li a, S.M. Kimb, S.H. Songc , T.W. Kub, W.J. Song d, J. Kimb, M.K. Chonge , J.W. Parke , B.S. Kangb,?

      摘要:隨著電子產品對重量輕、體積小的要求越來越高,要求超薄多層印刷電路板(pcb)在電子封裝組件中得到廣泛應用。通常,這些多層印刷電路板是由多層編織玻璃纖維增強環氧樹脂復合基板組成,夾在銅箔之間。這些多層pcb的力學性能基本上可以用其彎曲剛度來表征。然而,復雜的機織復合材料特性使彎曲剛度分析復雜化。本研究提出一個有限元分析模型來描述編織纖維復合多層印制板的彎曲行為。本研究采用有限元模擬和實驗相結合的方法。由于數值模擬結果與實驗結果相差不大,通過對比驗證了該有限元模型的有效性。研究了多層PCB編織纖維復合材料性能對彎曲現象的影響。

      正文

      介紹

      多媒體便攜式電子產品,如個人數字助理和移動電話,越來越需要更輕、更小的尺寸和更多的功能。為了滿足這些要求,印刷電路板(PCB)的電路密度也被要求提高。因此,與單面和雙面pcb相比,多層pcb可以支持更復雜的芯片(Tummala,2001),因此得到了廣泛的應用。這些多層多氯聯苯通常由多層編織玻璃纖維增強環氧樹脂(玻璃纖維/環氧樹脂)基材夾在銅箔之間。為了保證安裝在多層pcb上的電子產品元件不發生故障,應將pcb的撓度控制在小范圍內。彎曲剛度是力學中具有代表性的參數PCBs的性能評估其結構可靠性和性能。因此,多層pcb的彎曲剛度分析在電子封裝設計中占有重要地位。對印制電路板(PCB)的層結構和材料特性進行了數值分析。timoshenko(1925)基于梁理論給出了力學性能不匹配粘結材料行為的第一個解。aleck(1949)分析了邊緣效應問題,解中包含了彈性問題(Lee and jasiuk,1991),并用有限元方法byLau(1989)討論了這個問題。從一些使用有限元分析(FEA)的具體報告來看,多氯聯苯已經被各向同性模型所代表(Yang et al.,2000;Wu et al.,2002;Wang et al.,2003)。然而,與pcb的力學性質不同。因此,已經做了一些相關的工作,將層壓pcb從材料特性上認定為正交異性板(Lee,2000;Lau,1998;Wang等人,2006)。然而,在這些分析中,使用各向同性和各向同性模型對多層RPCB進行了不精確的簡化。因此,這些建模方法導致了對多層和多材料多氯聯苯詳細效果的有限調查(Flatt,1992;Zhuet al.,2003;Brown and Sottos,1998)。本研究的目的是建立更精確可靠的有限元分析模型來描述機織纖維復合多層印制板的彎曲行為,研究纖維復合材料性能對多層板的影響印刷電路板輸入這項研究,提出了一種描述編織纖維復合材料多層印制板彎曲行為的有限元分析模型。采用有限元模擬和實驗相結合的方法。由于數值模擬結果與實驗結果相差不大,通過對比驗證了該有限元模型的有效性。研究了多層PCB的纖維復合材料性能對彎曲現象的影響。

      材料特性

      通常,多層印刷電路板是由夾在銅箔之間的多層玻璃纖維/環氧樹脂復合基板組成。玻璃纖維織物通常由長玻璃纖維或長絲制成。為了制造玻璃纖維織物,大量的細絲被捆在一起并扭成一條線,然后這些線隨后被編織成玻璃纖維??椢锏木W眼取決于線的間距。兩個正交方向的間距通常不同,這兩個正交方向稱為經紗和垂直于經紗的填充紗。用于多氯聯苯的最常見的玻璃纖維之一是7628型(FR-4)。因此,用于多層pcb的玻璃纖維/環氧樹脂層的材料性能均為正交各向異性。在大多數情況下,應變-應力關系如下:

      image.png 

      對于正交各向異性材料,當沿著材料對稱的主平面選擇坐標系時,獨立的彈性常數可以減少到9個(Jones,1975)。然后根據工程常數楊氏模量ij(i=1,2,3),泊松比ij(i,j=1,2,3)和剪切模量ij(i,j=1,2,3)表示的應變-應力關系,其可在簡單的單軸拉伸或純剪切試驗中測得,如下式所示:

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      實驗

      對于多層印制板,彎曲剛度是反映層合結構性能的力學性能中的代表性參數。為了分析多層PCB的復合材料性能,本研究采用三點彎曲試驗測定了多層PCB的彎曲剛度。彎曲試驗示意圖如圖所示。1(a)條。

      制備了兩種多層pcb,并進行了三點彎曲試驗。這兩種樣品的幾何尺寸、層結構和材料與實際用于手機的多氯聯苯相同。但兩種樣品的厚度不同,分別為1.0mm(1.0T)和0.8mm(0.8T)。用真空壓力機(V-press)將其拉制,然后用刨切機切割成50mm×30mm。用于制備試樣的傳統FR-4(玻璃纖維/環氧樹脂編織物)和銅的材料性能如表1所示。每層的厚度如表2所示。CCLmeans覆銅板,每層FR-4層之間的覆銅板厚度為12m。

      在彎曲試驗操作中,以5mm/min的下降速度將試樣推至5mm時,測量保持力。當撓度達到5mm時,擋土力剖面如圖所示。1(b)。結果表明,每一個試樣的固位力與撓度幾乎成正比。當1.0t和0.8t彎曲至5mm時,誘導力分別為99.3N和47.7N。

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      圖1–三點彎曲試驗:(a)示意配置和(b)擋土力剖面圖。

      有限元分析

      利用商用工程仿真軟件ABAQUS建立了編織纖維復合材料多層印制板的有限元分析模型。它不僅是一個支持復雜多層結構的廣泛元素庫,而且是一個可以描述典型工程材料(包括金屬、橡膠、聚合物和復合材料)行為的材料模型列表(ABAQUS,2004)。

      根據多層CBS的對稱性條件,對實際測試樣本的一半進行建模,如圖所示。2(a)條。XYZ坐標系設置為PCBsprincipal材料方向系統,即123坐標系。因此,PCBs的長度方向是沿著x方向,寬度方向是沿著y方向。在這個模型中,邊界條件分別被指定為簡支和關于平面的對稱。機械載荷的建模與實際試驗相同,如圖所示。2(a)由于多層PCB的總厚度比其他尺寸要小得多,所以在這個模型中使用了shell元素。

      殼截面用于確定其層結構、材料類型和各層的取向。在有限元模型中,每個玻璃纖維/環氧樹脂編織層被細分為兩個薄層,如圖所示。2(b),有效地描述了玻璃纖維機織物的彎曲變形行為。填充和翹曲方向的纖維被賦予0°和90°方向,分別。表3以圖中所示的方式顯示了幾種層合板結構的有限元模型信息。2(b)。為了對三點彎曲試驗進行數值模擬,將機械載荷設定為1min時從0到實際試驗值的線性變化,1.0T層和0.8T層模型的最大載荷分別為99.3N和47.7N,與實際試驗結果一致。每個有限元多層PCB模型由195個四邊形單元和642個節點組成網格。1.0層模型的仿真結果如圖所示。3,反射分布如圖所示。3(a)和(b)。兩種模型的撓度分別為4.997mm和4.992mm,分別。兩個它們與實際彎曲試驗中5min的撓度非常相似。仿真結果的誤差率分別為0.06%和0.16%,表明了該有限元模型的可靠性和可靠性模擬方法圖.2–三點彎曲試驗的數值分析:(a)PCB有限元模型和(b)層模型和纖維定向。

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      圖2——三點彎曲試驗的數值分析:(a)PCB的有限元模型和(b)層模型和纖維定向。image.png  

      圖3–1.0模型的模擬結果:(a)撓度分布和(b)變形結構的側視圖。

      參數研究

      用于pcb制造業的織物型層壓復合材料通常是不平衡的,即翹曲和填充方向包括不同數量的纖維束或不同尺寸的纖維直徑。由于纖維束尺寸的變化,波狀纖維束的幾何結構也不同,并且取決于織物的風格。因此,不同織物風格的復合基材具有不同的材料性能,即使是同一織物風格,在經紗和緯紗方向上也可能具有不同的性能。因此,不同的纖維體積分數和編織方式會改變玻璃纖維/環氧多層印制板的材料性能。為了評價纖維體積分數和編織方式對多層pcb的影響,建立了幾種有限元模型。各型號的纖維體積分數和編織方式如表4所示。在這些有限元模型的數值模擬中采用了相同的機械載荷。為了更清楚地比較它們的彎曲剛度,模型1的彎曲剛度比被指定為1。然后,其他模型的彎曲剛度比為1.1、1.15、1.08、1.13和1.36,如圖所示。4個,有序。比較結果表明,填充方向的纖維體積分數越高,編織玻璃纖維/環氧多層印制板的彎曲剛度越高。模型3比模型2具有更高的抗彎剛度比,即使這兩個模型的總纖維體積分數幾乎相同。同時,模型6的抗彎剛度比模型5大,但纖維總體積分數相同。指出填充方向的纖維體積分數比包裹方向的纖維體積分數更重要?;诖送普?,即使模型3的總纖維體積分數低于模型5,模型3的抗彎剛度比模型5的高。因此,玻璃纖維機織物填充方向的纖維體積分數是提高機織玻璃纖維/環氧多層印制板抗彎剛度的關鍵因素。

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      圖4——所有有限元模型的抗彎剛度比

      結論

      本研究的主要目的是建立能準確描述機織纖維復合材料多層印制板彎曲特性的有限元模型,并對影響多層印制板彎曲剛度的因素進行評估。研究了機織纖維復合材料的材料特性,制備了兩種機織纖維復合多層pcb樣品,并用三點彎曲試驗進行了測試。隨后,利用該軟件對兩個相關的有限元模型進行了構造和仿真阿巴克斯。托對編織纖維的描述更為準確,有限元多層PCB模型中的每層織物復合層由填充層和包裹層兩層組成。通過比較兩種模擬模型與實驗模型的撓度,得到了0.06%和0.16%的小誤差率。驗證了該有限元模型的有效性和可靠性。采用這種建模方法,建立了纖維復合多層印制板的有限元模型,并進行了仿真。通過對模型結果的分析,得出纖維織物填充方向的高纖維束可以提高多層pcb的抗彎剛度。這些研究成果具有一定的實用價值,對當今印刷電路板行業對降低PCB板厚度、提高PCB板彎曲剛度的要求越來越高具有重要的現實意義。


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