CN1987878A - 印刷线路板镀通孔设计寿命的评估或优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种印刷线路板镀通孔设计寿命的评估或优化方法，其特征在于：利用与镀通孔设计参数相关的数据图或表，作为对印刷线路板镀通孔设计寿命的评估或优化的工具。采用该方法能够合理有效提高印刷线路板产品的可靠性。

Description

印刷线路板镀通孔设计寿命的评估或优化方法

技术领域

本发明涉及利用镀通孔参数对印刷线路板镀通孔的寿命进行评估或进行优化设计的技术，特别是一种印刷线路板镀通孔设计寿命的评估或优化方法，采用该方法能够合理有效提高印刷线路板产品的可靠性。

背景技术

热膨胀系数不匹配而引起的镀通孔疲劳断裂是电子产品中印刷线路板失效的一个主要原因。通过对产品样本进行实验的手段来发现产品设计制造缺陷、提高产品的可靠性由于成本高、周期长，使得在产品研发的早期阶段就对产品的设计进行评估或优化成为提高产品可靠性的一个关键手段。

目前在工程实际中，广泛使用软件仿真的方法来评估镀通孔的设计寿命，从而起到在印刷线路板设计的早期阶段优化设计的作用，但该方法所需要的建模过程复杂、计算时间长，同时，评估结果又不具备清楚而直观地告诉印刷线路板设计人员各几何及环境参数对镀通孔设计寿命影响的能力，这对优化印刷线路板设计的效果带来局限性。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种印刷线路板镀通孔设计寿命的评估或优化方法，采用该方法能够合理有效提高印刷线路板产品的可靠性。

本发明的技术构思为，针对所使用的特定印刷线路板和镀通孔材料，构建镀通孔疲劳寿命与其几何参数以及印刷线路板使用环境温度变化的等值线关系图或表，利用此等值线图或表为工具快速地对镀通孔的寿命进行评估或优化，并得到各参数对镀通孔寿命的影响程度和趋势。本发明解决了如何使工程技术人员随时随地地、直观快速地评估出镀通孔的设计寿命，且能清楚直观地看到各个参数对镀通孔寿命的量化影响这一技术问题，从而能够合理有效提高印刷线路板产品的可靠性。

本发明的技术方案如下：

印刷线路板镀通孔设计寿命的评估或优化方法，其特征在于：利用与镀通孔设计参数相关的数据图或表，作为对印刷线路板镀通孔设计寿命的评估或优化的工具。

所述镀通孔设计参数包括几何参数、材料参数和环境参数。

所述优化是指利用评估结果对镀通孔的设计进行优化。

所述数据图或表包括印刷线路板镀通孔疲劳寿命第一中间变量与第一镀通孔几何参数及第二镀通孔几何参数的数量关系，印刷线路板镀通孔疲劳寿命第二中间变量与第三镀通孔几何参数、第一中间变量及镀通孔材料参数的数量关系，以及印刷线路板镀通孔疲劳寿命中的镀通孔镀层最大应变量与使用印刷线路板的环境参数及第二中间变量的数量关系。

所述第一镀通孔几何参数是指印刷线路板二分之一板厚与镀通孔半径之比(l/r)，所述第二镀通孔几何参数是指镀通孔二分之一孔间距与镀通孔半径之比(R/r)，所述第三镀通孔几何参数是指印刷线路板二分之一板厚与镀通孔镀层厚度之比(l/t)，所述镀通孔材料参数包括镀层材料的材料参数和印刷线路板材料的材料参数，所述环境参数是指环境温度的变化幅度。

所述材料参数选自下述项中的一种或多种：热膨胀系数，弹性模量，塑性模量，剪切模量，屈服强度，断裂强度，延展率。

所述第一中间变量、第二中间变量、和镀通孔镀层最大应变量均采用等值线图或表来表示。

所述数据图或表还包括通过镀通孔镀层最大应变量确定的镀通孔疲劳寿命的曲线图或表。

所述与镀通孔设计参数相关的数据图或表基于以印刷线路板镀通孔的热应力应变分布模型为基础建立的印刷线路板镀通孔寿命评估的理论模型。

本发明的技术效果如下：

本发明的有益效果是，可以使工程技术人员摆脱使用软件带来的计算机限制和复杂的建模过程，只需要通过上述中间参数的定义方法，针对设计中所使用的材料，就可以画出或列出一系列的图或表来，然后以此为工具来评估或优化镀通孔的寿命。这种方法具有快速和直观的优点。且由于本发明中参数是分步骤进行考虑的，通过每一步骤都可以看到相关参数对后边步骤的影响，这样就可更好地指导印刷线路板设计人员对镀通孔进行设计与改进。

采用本发明的技术方案，通常要先确定印刷线路板镀通孔寿命评估的理论模型，在模型中把影响镀通孔寿命的几何参数和环境参数分步骤进行考虑，并建立它们之间的数量关系，形成一个可在工程设计中方便使用的直观的图表工具，然后利用这一工具，顺序进行查图或查表，找出所设计镀通孔的寿命，从而对设计进行评估或优化，进而合理有效提高印刷线路板产品的可靠性。

附图说明

图1为通过镀通孔几何参数之一的线路板二分之一板厚与镀通孔半径之比(l/r)，以及镀通孔几何参数之二的镀通孔二分之一孔间距与镀通孔半径之比(R/r)所确定的中间变量A的等值线图。

图2为通过镀通孔几何参数之三的线路板二分之一板厚与镀通孔镀层厚度之比(l/t)，以及中间变量A，同时，进一步考虑实际所使用的材料，所确定的中间变量B的等值线图。

图3为通过印刷线路板的环境温度变化范围(deltaT)以及中间变量B所确定的镀通孔镀层最大应变(strain)的等值线图。图中阴影区域表示镀层中心处材料从弹性已进入塑性范围。

图4为通过镀通孔镀层最大应变(strain)确定的镀通孔疲劳寿命Nf的曲线图。

图5为流程图。

A-第一中间变量，B-第二中间变量，deltaT-环境温度变化范围，l/r-第一镀通孔几何参数即印刷线路板二分之一板厚与镀通孔半径之比，R/r-第二镀通孔几何参数即镀通孔二分之一孔间距与镀通孔半径之比，l/t-第三镀通孔几何参数即印刷线路板二分之一板厚与镀通孔镀层厚度之比，strain-镀通孔镀层最大应变，Nf-镀通孔疲劳寿命。

具体实施方式

下面结合附图和实施案例对本发明进行详细地说明。

本发明的印刷线路板镀通孔设计寿命的评估或优化方法，特点在于利用与镀通孔设计参数相关的数据图或表，作为对印刷线路板镀通孔设计寿命的评估或优化的工具。其中，数据图或表的获得及使用采用如下方式：

1、建立印刷线路板镀通孔寿命评估的理论模型。

2、在模型中把影响镀通孔寿命的几何参数和环境参数分步骤进行考虑，并建立它们之间的数量关系，形成一个可在工程设计中方便使用的直观的图表工具。

3、利用这一工具，顺序进行查图或查表，找出所设计镀通孔的寿命。

本发明中评估镀通孔寿命的理论模型如式(1)-(5)

$A=\frac{r}{l}\·\mathrm{Exp}\{1n\left(\frac{r}{l}\right)\·1n[(3.0803\frac{r}{l}-10.393)]\·\mathrm{Exp}\left(\frac{r}{R}\right)+(108.83-1.8631\frac{r}{l})\}---\left(1\right)$

$B=\frac{1}{\frac{4E_{\mathrm{Cu}}}{G_E}\·A\·\frac{t}{l}+1}---\left(2\right)$

如果 $\frac{4}{3}B({\mathrm{\α}}_E-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{Cu}})\mathrm{\ΔT}\≤\frac{S_Y}{E_{\mathrm{Cu}}}$

$\mathrm{strain}=\frac{4}{3}B({\mathrm{\α}}_E-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{Cu}})\mathrm{\ΔT}---\left(3\right)$

如果 $\frac{4}{3}B({\mathrm{\α}}_E-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{Cu}})\mathrm{\ΔT}>\frac{S_Y}{E_{\mathrm{Cu}}}$

$\mathrm{strain}=\frac{S_Y}{E_{\mathrm{Cu}}}\·\left\{\frac{4}{3}\right[\frac{B+(1-B){(1-\frac{3}{4B}\·\frac{S_Y}{({\mathrm{\α}}_E-{\mathrm{\α}}_{C}u)\mathrm{\ΔT}{E}_{\mathrm{Cu}}})}^{\frac{1}{3}}}{\frac{S_Y}{({\mathrm{\α}}_E-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{Cu}})\mathrm{\ΔT}{E}_{\mathrm{Cu}}}}-0.75]\·\frac{\frac{B}{1-B}{(1-\frac{3}{4B}\·\frac{S_Y}{({\mathrm{\α}}_E-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{Cu}})\mathrm{\ΔT}{E}_{\mathrm{Cu}}})}^{\frac{2}{3}}}{\frac{E_{\mathrm{Cu}}^{\′}}{E_{\mathrm{Cu}}}+\frac{B}{1-B}{(1-\frac{3}{4B}\·\frac{S_Y}{({\mathrm{\α}}_E-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{Cu}})\mathrm{\ΔT}{E}_{\mathrm{Cu}}})}^{\frac{2}{3}}}+1\}---\left(4\right)$

$N{f}^{-0.6}{D_f}^{0.75}+0.9\×\frac{S_u}{E_{\mathrm{Cu}}}{\left[\frac{e^{D_f}}{0.36}\right]}^{0.1785\log \frac{{10}^5}{N_f}}-\mathrm{strain}=0---\left(5\right)$

式(1)-(5)中各变量的含义：

Sy：PTH镀层材料的屈服强度；l：线路板厚度的一半；t：PTH的镀层厚度；R：镀通孔二分之一孔间距；r：PTH半径；α：热膨胀系数；ΔT(deltaT)：温度循环幅值(温度载荷)；E：弹性模量；G_E：线路板的剪切模量；下标_E：表示线路板相关的参数；下标_Cu：表示PTH镀层相关的参数，strain：镀通孔镀层做大应变；N_f：为预计的平均疲劳寿命(即失效前循环周期数)；D_f：PTH镀层材料断裂应变(或称疲劳耐久性系数)；S_u：PTH镀层材料断裂强度；A，B：中间变量，A-第一中间变量，B-第二中间变量。

本发明的有益效果是，可以使工程技术人员摆脱使用软件带来的计算机限制和复杂的建模过程，只需要通过上述公式和中间参数的定义方法，针对设计中所使用的材料，就可以画出或列出一系列的图或表来，然后以此为工具来评估或优化镀通孔的寿命。这种方法具有快速和直观的优点。且由于本发明中参数是分步骤进行考虑的，通过每一步骤都可以看到相关参数对后边步骤的影响，这样就可更好地指导印刷线路板设计人员对镀通孔进行设计与改进。

通过本发明所给出的方法，并在随意选定一组材料参数(见表A)的基础上(实际应用中，需要使用实际的材料参数)，构建了一系列的等值线图或表，根据该系列的图或表可以很快地评估一个镀通孔的寿命及几何尺寸参数和环境温度变化对镀通孔寿命的影响。

表A 案例中的材料参数

	PTH镀铜		印刷线路板		单位
						符号	数值	符号	数值
	热膨胀系数弹性模量塑性模量剪切模量屈服强度断裂强度	αCuECuE’CuSYSu	1812×1060.1×106-25,00040000	αEEEGE						3850.5×106-0.238×106--	ppm/℃psipsipsipsipsi
延展率					Df	30		-	％

图或表工具的制作方法和步骤：

步骤1：根据公式(1)所给出的线路板二分之一板厚与镀通孔半径之比(l/r)以及镀通孔二分之一孔间距与镀通孔半径之比(R/r)与中间变量A关系，确定在不同l/r和R/r取值条件下中间变量A所对应的值，然后，由这些值做出A的等值线图或表，如图1或表1所示。A为本发明使用过程中根据需要所定义的中间变量，无实际物理意义。

步骤2：根据公式(2)和实际所使用材料的参数，确定在中间变量A以及线路板二分之一板厚与镀通孔镀层厚度之比(l/t)不同的取值条件下中间变量B所对应的值，然后，由这些值做出B的等值线图或表，如图2或表2所示。B亦为本发明使用过程中根据需要所定义的中间变量，无实际物理意义。

步骤3：根据公式(3)、(4)以及实际所使用材料的参数，确定环境温度变化范围(deltaT)和中间变量B在不同的取值条件下镀通孔镀层最大应变(strain)所对应的值，然后，由这些值做出该最大应变的等值线图或表，如图3或表3所示。

步骤4：根据公式(5)和实际所使用材料的参数，做出镀通孔镀层最大应变(strain)和镀通孔疲劳寿命Nf的曲线图或表，如图4或表4所示。

图或表工具的使用方法和步骤：

步骤1：从图1或表1中查出与实际设计中的l/r和R/r的值相对应的中间变量A的值。图或表中没有的值，通过附近的值进行插值。

步骤2：从图2或表2中查出与实际设计中的l/t的值以及由步骤1中所得到的中间变量A的值相对应的中间变量B的值。图或表中没有的值，通过附近的值进行插值。

步骤3：从图3或表3中查出与环境温度变化范围(deltaT)的值以及由步骤2中所得到的中间变量B的值相对应的镀通孔镀层最大应变(strain)的值。图或表中没有的值，通过附近的值进行插值。

步骤4：从图4或表4中查出与步骤3中所得到的镀通孔镀层最大应变(strain)相对应的镀通孔疲劳寿命Nf的值。该值即为针对某一设计和所使用材料的镀通孔疲劳寿命的评估结果。对设计中的几何参数进行调整以达到最高的疲劳寿命值即可完成对印刷线路板镀通孔设计的优化。

通过以上步骤1-步骤4就能够确定镀通孔疲劳寿命，如图5所示。

优化印刷线路板镀通孔设计寿命的方法，其特征是：

1.利用数据图或表对印刷线路板镀通孔的设计寿命进行评估或通过评估结果对镀通孔的设计进行优化的工具；

2.该工具表现形式为基于实际所使用的印刷线路板和镀通孔材料所构建的一个或多个等值线数据图或表；

3.印刷线路板镀通孔设计寿命的评估和优化可以通过顺序地一次或多次地查找上述的图或表来实现；

4.上述等值线数据图或表的构建利用了印刷线路板镀通孔疲劳寿命的理论模型，该理论模型给出了镀通孔疲劳寿命与镀通孔材料、镀通孔几何参数以及印刷线路板的使用环境温度变化范围的数量关系；

5.上述等值线数据图或表的构建首先定义了两个中间变量A和B，通过第一步先考虑镀通孔几何参数从而获得中间变量A，再进而考虑镀通孔材料参数而获得中间变量B，然后再考虑环境温度变化范围而得到最大应变。

表1-表5列示如下：

表1通过镀通孔几何参数R/r和l/r确定的中间参数A的表

表2进一步通过镀通孔几何参数l/t和中间参数A确定的中间参数B的表

表3再通过环境温度变化deltaT和中间参数B确定的最大应变(strain)的表

表4 应变-疲劳寿命对应表

strain(％)	0.15	0.2	0.25	0.3	0.35	0.4	0.45	0.5	0.55
										Nf(cycles)	85360000	5904000	869000	227400	83660	39490	21990	13780	9370
strain(％)	0.6	0.65	0.7	0.75	0.8	0.85	0.9	0.95	1
										Nf(cycles)	6720	5060	3940	3150	2580	2150	1825	1565	1360

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。因此，尽管本说明书参照附图对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换，例如，也可以采用公知的或自行研发的印刷线路板镀通孔的热应力应变分布模型或印刷线路板镀通孔寿命评估的理论模型；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明专利的保护范围当中。

Claims (9)

1.印刷线路板镀通孔设计寿命的评估或优化方法，其特征在于：利用与镀通孔设计参数相关的数据图或表，作为对印刷线路板镀通孔设计寿命的评估或优化的工具。

2.根据权利要求1所述的印刷线路板镀通孔设计寿命的评估或优化方法，其特征在于：所述镀通孔设计参数包括几何参数、材料参数和环境参数。

3.根据权利要求1所述的印刷线路板镀通孔设计寿命的评估或优化方法，其特征在于：所述优化是指利用评估结果对镀通孔的设计进行优化。

4.根据权利要求2所述的印刷线路板镀通孔设计寿命的评估或优化方法，其特征在于：所述数据图或表包括印刷线路板镀通孔疲劳寿命第一中间变量与第一镀通孔几何参数及第二镀通孔几何参数的数量关系，印刷线路板镀通孔疲劳寿命第二中间变量与第三镀通孔几何参数、第一中间变量及镀通孔材料参数的数量关系，以及印刷线路板镀通孔疲劳寿命中的镀通孔镀层最大应变量与使用印刷线路板的环境参数及第二中间变量的数量关系。

5.根据权利要求4所述的印刷线路板镀通孔设计寿命的评估或优化方法，其特征在于：所述第一镀通孔几何参数是指印刷线路板二分之一板厚与镀通孔半径之比(l/r)，所述第二镀通孔几何参数是指镀通孔二分之一孔间距与镀通孔半径之比(R/r)，所述第三镀通孔几何参数是指印刷线路板二分之一板厚与镀通孔镀层厚度之比(l/t)，所述镀通孔材料参数包括镀层材料的材料参数和印刷线路板材料的材料参数，所述环境参数是指环境温度的变化幅度。

6.根据权利要求5所述的印刷线路板镀通孔设计寿命的评估或优化方法，其特征在于：所述材料参数选自下述项中的一种或多种：热膨胀系数，弹性模量，塑性模量，剪切模量，屈服强度，断裂强度，延展率。

7.根据权利要求4所述的印刷线路板镀通孔设计寿命的评估或优化方法，其特征在于：所述第一中间变量、第二中间变量、和镀通孔镀层最大应变量均采用等值线图或表来表示。

8.根据权利要求4所述的印刷线路板镀通孔设计寿命的评估或优化方法，其特征在于：所述数据图或表还包括通过镀通孔镀层最大应变量确定的镀通孔疲劳寿命的曲线图或表。

9.根据权利要求1所述的印刷线路板镀通孔设计寿命的评估或优化方法，其特征在于：所述与镀通孔设计参数相关的数据图或表基于以印刷线路板镀通孔的热应力应变分布模型为基础建立的印刷线路板镀通孔寿命评估的理论模型。

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