刻蚀如何打破力学平衡？PCB芯板层压与刻蚀翘曲的全流程仿真
在高密度、多层化及微细线条PCB的制造过程中，层压（Lamination）与随后的线路刻蚀（Etching）是PCB生产过程中的关键工序。层压固化阶段由于树脂的冷却收缩和固化化学收缩，在芯板内部锁定了巨大的残余应力。而随后的刻蚀工艺通过移除部分铜箔，打破了原有的力学平衡，极易诱发严重的非对称翘曲，如下图所示。
这种宏观翘曲不仅影响PCB的质量，并且直接威胁到后续SMT贴片的对位精度，更是导致BGA虚焊、早期疲劳失效的隐形杀手。传统的“试错法”工艺调优周期长、成本高，且难以量化内部应力的演变规律。
本文基于有限元仿真方法，考虑结构的降温收缩和FR4的固化收缩，建立了“层压-降温-刻蚀”的力学仿真模型。通过模拟铜箔去除后内应力的释放与重构，揭示了残铜率非对称分布对单板翘曲的驱动机制，为PCB叠层设计与优化提供参考。
首先还是根据PCB的ECAD文件获取PCB的叠层信息，在此以一块简单的芯板为例，刻蚀后的T面和B面铜层分布如下图所示。其三维尺寸为：长150mm*宽88mm*厚0.391mm。
获取芯板的几何模型后，使用在为何PCB光板过回流也会发生翘曲？提到的结构化笛卡尔网格划分其六面体网格。需要注意的是，由于芯板的铜层和FR4层厚度都很薄，默认的网格划分方法往往只会将其划分一层单元。一层网格在计算弯曲时存在刚度过大的问题，无法准确计算翘曲，所以需要手动切割网格，至少需要保证每层结构具有2层以上的单元层数。最终划分的网格如下图所示，每层结构都具有2层单元。划分完网格后，下一步就是设置材料参数。铜层的材料参数很好处理，在整个过程中材料参数几乎不发生变化，直接使用常温下铜的材料参数即可。FR4的处理则复杂一些，因为其不仅仅具有各向异性，在层压的降温过程中还涉及到固化收缩。树脂从液态/高弹态转变为固态的交联过程中，分子间距减小，通常会带来1% ~ 5%的体积收缩，这种收缩一般可以通过等值热膨胀系数进行修正。FR4的固化收缩在不同方向上具有显著差异，在X/Y方向，由于玻纤的阻碍，树脂难以收缩，所以FR4的X/Y方向的收缩率仅为0.05%左右。而在Z向，缺少玻纤的阻碍，收缩率能到0.5%。假设层压过程的零应力点为180℃，将收缩率转化为等效CTE，得到其在X/Y方向的等效CTE为3ppm，Z向等效CTE为30ppm。FR4在不同温度下的热膨胀系数也不一样，假如不考虑固化收缩的FR4在X方向上随温度变化的CTE如下图所示。计算得到的降温收缩导致的等效CTE为23ppm，加上固化收缩导致的等效CTE，综合得到整个过程FR4的X向等效CTE为26ppm。同样的处理方法，可以得到FR4在Y向的等效CTE为24ppm，Z向的等效CTE为126ppm。由于Z向没有玻纤的约束，FR4的固化收缩率和冷却收缩率都远大于X/Y向。在不考虑FR4的粘弹性和应力松弛时，可以将模量设置为常温下FR4的模量。完成材料参数的赋予后，下一步就是载荷工况的设置。由于芯板刻蚀后翘曲是由于层压冷却后的残余应力在刻蚀后由于部分铜箔被去除导致的应力失衡，所以整个过程分为两个载荷步，第一步是铜箔保持完整并且由零应力点降温到室温，这个载荷步没有翘曲产生，因为上下表面铜箔是对称的。第二步为刻蚀去除铜箔，继承上一载荷步的结果，并使用生死单元方法去除被刻蚀部分的铜箔单元，翘曲发生在这一步。最终的翘曲结果如下图所示。可以看到如果某一面的铜层去除较对面更多，那么由于缺少铜层抵抗FR4的收缩，局部发生凹型翘曲。而在整体上，由于T面的残铜率小于B面，所以整体呈现凹形翘曲。芯板刻蚀后，平面上位移的最大差值为1.44mm，除以芯板的对角线长度174mm，得到芯板刻蚀后的翘曲率为0.8%。而实际一般要求PCB的翘曲率低于0.3%~0.75%，所以结果表明当前设计和材料存在较大的翘曲风险。由于这种仿真方法没有考虑FR4的粘弹性和应力松弛，导致翘曲结果较实际情况偏大，所以更多是进行定性分析。如果要精确仿真翘曲，则需要引入粘弹性本构，极大增大计算复杂度。如果希望结果尽可能准确，又不希望增加模型复杂度，可以通过和实验结果进行对标，降低FR4的模量以匹配实际结果，粗略模拟FR4的粘弹性。当模量校准好后，后续模型计算的翘曲也将是准确的。
本文利用有限元仿真分析了PCB芯板在层压固化与刻蚀工艺交织下的翘曲行为，得出以下结论：应力失衡是翘曲的主因：层压降温阶段积蓄的各向异性残余应力，在刻蚀去铜后发生失衡，是导致芯板在宏观上产生翘曲的根本力学原因。
固化收缩不可忽视：FR4的树脂固化时存在化学收缩，尽管其在X/Y方向上很小，在Z向上则较大，不可忽略。
对称性设计至关重要：仿真结果表明，严格控制叠层结构及各层残铜率的上下对称，是降低翘曲的有效方法。
【免责声明】本文仅为有限元仿真方法的一般性技术分享与讨论，所举案例均为常见行业示例，不针对任何特定公司或产品。如与贵公司实际项目存在相似之处，纯属正常技术共性，特此说明。
