電解銅箔延伸率和抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)
銅箔的抗拉強(qiáng)度和延伸率測試方法詳解
抗拉強(qiáng)度和延展率是銅箔的兩個(gè)重要的物理性能。對(duì)于這些性能的測試方法，涉及到的標(biāo)準(zhǔn)主要有IPC-TM-650 2.4.18.1A、ASTM E345-2016、GB/T 5230-1995、GB/T 5187-2008以及GB/T 228.1。以下便是對(duì)這些標(biāo)準(zhǔn)的一些簡要說明與分析。
目前，最常用的檢測標(biāo)準(zhǔn)是IPC-TM-650 2.4.18.1A，該標(biāo)準(zhǔn)是專門針對(duì)印制電路板的銅箔而制定的。其檢測方法及要點(diǎn)如下：
I. 銅箔厚度范圍0.05mm~0.1mm；
II. 樣品為條狀或者帶頭試樣，橫向和縱向各5個(gè)，其中條狀樣品尺寸：13mm×150mm，帶頭試樣尺寸見ASTM E345 A型試樣(在后面會(huì)具體提到)；
III. 標(biāo)距為50mm，夾頭移動(dòng)速率：每分鐘0.05mm/mm~0.5mm/mm（此為應(yīng)變速率，具體試驗(yàn)速率需根據(jù)夾頭間的距離進(jìn)行換算）；
IV. 樣品裁切后需在125±5℃下烘烤4~6h；
V. 判定失效的情況：樣品有明顯的缺陷導(dǎo)致斷裂；結(jié)果偏離平均值。
銅箔拉伸測試用試驗(yàn)機(jī)
該方法提供了大部分的測試參數(shù)，但是，有三點(diǎn)寫得不夠明確：其一是數(shù)值修約；其二是夾頭間距，這也影響到測試速率的選擇，因?yàn)閷?shí)際的測試速率是通過夾頭間距乘以應(yīng)變速率得到；其三是失效的判定，即怎樣的測試結(jié)果被判定為有效，雖然明確規(guī)定標(biāo)距為50mm，但標(biāo)線的位置沒有明確的說明，也就是說，對(duì)斷裂的位置沒有特別嚴(yán)格的要求，在實(shí)際測試中，斷裂的位置往往是在銅箔最薄的那部分，未必?cái)嗔言谥虚g才是準(zhǔn)確的。
上面提到的了ASTM E345中的試樣A，試樣規(guī)格如下：
試樣A的規(guī)格尺寸
總長度L≥200mm ；
標(biāo)距G=50.0±0.1mm；
中間平行長度A≥60；
兩頭的長度B≥50mm；
窄部分寬度12.5±0.25mm。
在這里，除掉兩端夾持部分B，中間部分就相當(dāng)于夾頭之間的間距，約為總長度的一半，中間平行長度A≥60mm。筆者認(rèn)為，如果參考這個(gè)試樣的夾頭間距的選擇，那么，不帶頭的條狀試樣的夾頭間的距離可以在60mm~75mm之間。
ASTM E345-16 的全稱是金屬箔拉伸測試的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，對(duì)比IPC-TM-650 2.4.18.1A，主要參數(shù)如下：
I. 該方法可以用于測試厚度≤0.2mm的金屬箔；
II. 兩種試樣：A型和B型。A型試樣上面已經(jīng)提到過，B型試樣為不帶頭試樣：總長度≥230mm，寬度12.5mm，標(biāo)距125mm，推薦夾頭之間的距離為125mm，這樣可以直接通過斷裂后夾頭間的位移來計(jì)算伸長率；
III. 測試速率：不測定屈服時(shí)，應(yīng)變速率0.06~0.5mm/mm/min；測試屈服時(shí)，應(yīng)變速率0.002~0.010mm/mm/min；
IV. 修約：強(qiáng)度值修約至1MPa，斷后伸長率修約至0.5%。
該方法是針對(duì)金屬箔的性能測試，并非專門針對(duì)銅箔而定，并沒有提到裁切后的烘烤要求。但該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于失效的判定有明確的說明：樣品有明顯的缺陷或劃痕；樣品表面加工不良；樣品尺寸不符合要求；機(jī)器原因?qū)е聵悠菲屏?；測試方法不正確；標(biāo)距外斷裂；當(dāng)使用試樣A測量伸長率時(shí)，樣品斷裂位置不在標(biāo)距中間1/2范圍內(nèi)。也就是說，使用A型試樣時(shí)，如果夾頭之間的距離為80mm，那么斷裂位置在中間40mm的范圍內(nèi)結(jié)果是有效的。
在GB/T 5230-1995 電解銅箔 的附錄D中，對(duì)電解銅箔測試的要求如下：
I. 試樣尺寸：長200±0.5mm，寬15±0.25mm，試樣數(shù)量：4個(gè)（橫、縱各兩個(gè)）；
II. 標(biāo)距50mm，標(biāo)線距離夾頭的距離不低于3mm；
III. 夾頭間距離125mm，試驗(yàn)機(jī)夾頭速度：50mm/min；
IV. 試驗(yàn)溫度：20±10℃；
V. 結(jié)果表示：取4個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的算術(shù)平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
該方法簡要說明了結(jié)果無效的判定方法：試樣在標(biāo)距外拉斷；操作不當(dāng)（如樣品夾偏）；試樣本身缺陷；記錄有誤或其他原因造成數(shù)據(jù)有偏差。值得一提的是，這里明確提出了標(biāo)線距離夾頭的距離不低于3mm，而沒有明確規(guī)定標(biāo)線一定要畫在中間部分。因此，可以認(rèn)為，斷裂位置距離夾頭不低于3mm是有效的。
在GB/T 228.1-2010的附錄B中，對(duì)于厚度為0.1mm~3mm薄板和薄帶的試樣類型有這樣的規(guī)定：對(duì)于寬度等于或小于20mm的不帶頭試樣，除非產(chǎn)品中另有規(guī)定，原始標(biāo)距L0應(yīng)等于50mm，兩夾頭之間的自由長度應(yīng)等于L0+3b0 。也就是說，假如試樣寬度為12.5mm，那么夾頭之間的距離應(yīng)該為87.5mm。該尺寸與IPC-TM-650 2.4.18.1A中提到的銅箔尺寸相近，如果參考該標(biāo)準(zhǔn)，夾頭之間的距離可以選擇50＋13×3=89mm.在數(shù)值修約方面，該標(biāo)準(zhǔn)中提到：強(qiáng)度性能值修約至1MPa，除屈服點(diǎn)延伸率以外的其他延伸率修約至0.5%，這點(diǎn)與ASTM E345-16以及ISO 6892-1:2009中的修約標(biāo)準(zhǔn)是一致的，我們當(dāng)前也是選擇這樣的修約方式。
在GB/T 5187-2008 銅和銅合金箔材中提到，銅箔拉伸試驗(yàn)方法選擇GB/T 228中規(guī)定，試樣類型選擇P02型，該方法不常用，這里不再贅述。
通過以上分析，對(duì)于銅箔拉伸夾頭之間距離的選擇以及結(jié)果的判定，仍然在不同方法間有著一定的差異。對(duì)于在印制線路板行業(yè)常用的IPC-TM-650 2.4.18.1A的標(biāo)準(zhǔn)，目前在應(yīng)用上這兩點(diǎn)的自由度較大，我們覺得在后續(xù)的標(biāo)準(zhǔn)版本更新中應(yīng)把這兩點(diǎn)進(jìn)行必要的補(bǔ)充說明。
【參考文獻(xiàn)】
[1]IPC-TM-650 2.4.18.1A Tensile Strength and Elongation, In-House Plating.
[2]ASTM E345-16 Standard Test Methods of Tension Testing of Metallic Foil.
[3]GB/T 5230-1995 電解銅箔.
[4]GB/T 228.1-2010 金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法.
[5]GB/T 5187-2008 銅和銅合金箔材.
金屬材料磨損試驗(yàn)及磨損性能詳解
關(guān)于拉伸試驗(yàn)中延伸率精度問題的討論
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1.適用范圍：
本方法是采用機(jī)械試驗(yàn)方法來測定銅箔在室溫和高溫狀態(tài)下的拉力強(qiáng)度和延伸率（或延展性）
2.適用文件：
ASTM-E-345拉力強(qiáng)度
3.試驗(yàn)樣品：
銅箔樣品的尺寸應(yīng)采用劃切或蝕刻方法蝕刻成5塊尺寸為254mm×12.7mm的試樣。試樣應(yīng)清潔，無毛刺裂痕。
4.1速度穩(wěn)定的拉力試驗(yàn)儀器。拉力速度為1.27-51mm/min
4.2JDC#50樣品切割機(jī)，寬12.7mm,長254mm；
4.3可將254毫米的試樣剪成152.4mm的切刀；
4.4P120型天平或等效物；
4.5與拉力試驗(yàn)儀器連接的高溫試驗(yàn)箱或高溫裝置,在樣品試驗(yàn)過程中能達(dá)到 并保持180+/-10度；
5.0試驗(yàn)過程：
5.1試樣稱量
5.1.1試樣應(yīng)光滑,無扭曲皺褶；
5.1.2用切割機(jī)切割成5塊拉力試樣；
5.1.3將5條拉力試樣剪成152.4mm；
5.2試樣稱量
5.2.1稱量試樣精確值0.001克；
5.2.2紀(jì)錄重量,計(jì)算截面平均值；
電解銅箔密度為8.909克/立方厘米；壓延銅箔為8.93克/立方厘米；
平均厚度=試樣重量(克)/試樣面積(平方厘米)×銅箔密度（克/立方厘米）
平均截面積=試樣重量/試樣長度×銅箔密度
5.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)
5.3.1如果拉力試驗(yàn)儀器裝有面積補(bǔ)償器,用其標(biāo)度盤測量平均截面積；如果沒有,必須用截面積計(jì)算拉力強(qiáng)度；
拉力強(qiáng)度N/mm2=折斷試樣所用的負(fù)載力/平均截面積
5.3.2室溫測試
5.3.2.1選擇負(fù)載范圍
5.3.2.2.將試樣裝在拉力試驗(yàn)儀器的夾具間,注意應(yīng)試樣居中,軸線與夾具對(duì)準(zhǔn)；
5.3.2.3測試條件
a.50mm長標(biāo)準(zhǔn)尺
b.十字頭速度50mm/min
c.圖表速度508mm/min
每254mm圖紙相當(dāng)于線性延伸率5%
5.3.3高溫測試
5.3.3.1選擇負(fù)載范圍；
5.3.3.2將高溫箱加溫至180度左右
5.3.3.3打開高溫箱,將銅箔試樣夾在拉力夾具間；
5.3.3.4關(guān)閉高溫箱,用電熱偶控制試樣溫度,在拉力試驗(yàn)前,允許試樣在180度停留5分鐘,該溫度*長時(shí)間不超過10分鐘；
5.3.3.5測試條件
a. 50mm長標(biāo)準(zhǔn)尺
b.十字頭速度50mm/min
c.圖表速度508mm/min,
每254mm圖紙相當(dāng)于線性延伸率5%
高溫箱內(nèi)為正?？諝饣蚨栊詺怏w均可；
5.4評(píng)價(jià)
5.4.1啟動(dòng)十字頭,折斷試樣,計(jì)算拉力強(qiáng)度和延伸率
5.4.2把試樣的末端小心拼合起來,測定延伸率
5.4.3計(jì)算5個(gè)延伸的平均值
6.0注釋：
6.1參考拉力強(qiáng)度和延伸率的典型值
克/立方米 標(biāo)準(zhǔn)銅箔和高延展性銅箔 壓延銅箔 輕冷壓延銅箔 退火銅箔
153 103.4 345 --- 103.5
305 207 345 --- 172.5
610以上 207 345 172.5 172.5
延伸率
克/立方米 標(biāo)準(zhǔn)銅箔 高延展性銅箔 壓延銅箔 輕冷壓延銅箔 退火銅箔
153 2 5 0.5 --- 5
305 3 10 0.5 --- 10
610 3 15 1 5 20
