电路板基材的业界趋势及重要性

2015-06-12 来源:微波射频网 我要评论(0) 字号:

一、FR-4板材之持续革新

简言之,电路板基材主要包括铜箔、树脂、以及补强材等三大原料。然而,若再深入研究现行基材及检视其多年来的变革时,却会发现基材内容的复杂程度著实令人难以想像。由于电路板厂家对于无铅时代基材品质的要求日益严苛,致使树脂与基板之性能与规格,无疑地将更趋复杂。基材供应商所遭遇的挑战,是必须在客户各种需求间找出最佳的平衡点,以期获得最经济的生产效益,并将其产品数据提供给整体供应链作为参考。

综观FR-4板材的发展历史,多年来某些业者们一直认为,FR-4板材已如明日黄花行之将尽,因此转而研究其他高性能替代品。每次当规格要求又有所增加时, 板材供应商就必须戮力以赴,期能符合客户需求。近年来,市场最明显的发展趋势即为高Tg板材需求量的大增。实际上,许多业者关于Tg议题的瞭解,似乎都说明了高Tg即具备了高效能,或较佳的可靠度。本文主要目的之一,系在说明下世代FR-4 板材所需具备的特质,已非Tg所能全然表达,于是乃再提出更多耐强热所应具备的全新规格,以因应无铅焊接的挑战。

二、主导基板规格的业界趋势

正在进行中的多项产业趋势,将促使重新配方板材的应市与採用,这些走向包括了多层板设计潮流、环保法规、以及电性需求等,现分述于下:

2.1.多广板的设计走向

目前PCB的设计趋势之一就是提高佈线密度,欲达此种目标的方法有三种: 首先是缩减其线宽线距,使单位面积内可容纳更多更密集的佈线;其次是增加电路板层数;最后则是减小孔径及銲垫之尺寸。

然而,当单位面积内的线路愈佈愈多时,其工作温度势必会上升。再者,不断增加电路板层数之际,也势必使得完工板同步变厚。否则就只能搭配较薄的介质层进行压合,以维持原先的厚度。PCB愈厚者,其通孔壁因积热所造成的热应力将越形增加,进而使得Z方向热胀效应变大。选用较薄的介质层时,则意味著必须使用胶含量较多的基板与胶片;但胶含量较多者,又会造成通孔Z方向热胀量与应力的再增。此外,减小通孔之孔径,不免又使得纵横比变大;因此为确保镀通孔的可靠度,所用之基材就必须具备较低的热膨胀以及较佳的热稳定性,才不致功亏一篑。

除上述因素外,当电路板组装元件密度增加时,则其导通孔佈局亦将排列的更为紧密。但此举却会使得玻璃束漏电之情势更趋紧张,甚至在孔壁间的基材玻纤中发生桥接现象,进而导致短路。此种阳极性丝状漏电现象(CAF)正是目前无铅时代对板材关注的主题之一,当然新一代的基材必须具有更佳的抗CAF能力,才不致于无铅焊接中状况频出。

2.2、环保法规

环保规章对于基材方面,在政治介入下又增加许多额外要求,例如欧盟之RoHS与WEEE等多项指令,都将会影响板材规格之制订。在众多法规中,RoHS限制焊接时的铅含量。锡铅焊料已在组装厂行之多年,其合金之熔点为183℃,而熔焊製程温度一般约为220℃。无铅主流銲料之锡银铜合金(如SAC305其熔点约为217℃ ,通常熔焊时的峰温将高达245℃。焊接温度上升,代表著基材必须具备更好的热稳定性,才能忍受多次熔焊所带来的热衝击。

RoHS指令也禁用某些含卤素的耐燃剂,包括聚臭联苯PBB及PBDE等。然而,PCB基材中最常用耐燃剂之四臭丙二酚TBBA,其实并不在RoHS的黑名单上。儘管如此,由于含TBBA的板材在升温时会产生不适当的灰化反应,致使某些整机品牌商仍考虑改採无卤材料。

2.3、电性要求

高速、宽频、与无线射频之应用,迫使板材还需具备更好的电性表现,亦即介质常数Dk与散失因素Df,不但必须抑低而且更须全板面中表现稳定,并还应妥备可控制性。符合此等电性需求者,同时还不得不在热稳定性出现逊色,唯其如此,其市场需求量与佔有率方得以日益增加。

三、基材之重要特性

为了顾及无铅市场需求的耐热稳定性,其必须注意的物性有:玻璃态转化温度(Tg)、热胀系数CTEs、以及因应高温无铅焊接而全新需求的耐裂解温度Td等,现分述于下:

3.1、以TMA法量测玻璃态转化温度(Tg)

玻璃态转化温度,是最常用以评断树脂基材特性的重要指标。所谓树脂的Tg ,是指该聚合物在升温到某种温度区间时,该树脂会由原先常温较坚硬的「玻璃态」(为非固定式组成固态物质之泛称〉,转变成为高温中具有塑性且较为柔软的「橡胶态」。各种板材在Tg前后之多种特性将会截然不同。

所有物质都会因温度改变而产生涨缩变化,Tg前基材的热膨胀速率通常较低较缓和。热机分析法(TMA)可记录基材尺寸对应于温度的变化,利用外推法可将两条曲线所延伸虚线的交点,其所指示的温度,即为此基材之Tg 。此种Tg前后曲线斜率之巨大差异, 说明了两者截然不同的热胀速率, 即所谓的α1与α2之热胀系数(CTEs)。由于板材之Z-CTE会影响完工板的可靠度,且对下游组装更为重要,是故所有业者对此均不可忽视。需注意的是,热胀量较小的对通孔铜壁所展现的应力也较少,因而可靠度方面也必然也较佳。不过,一般人总认为Tg是一个相当固定的温度点,其实不然,由图1中的曲线弧度得知,板材在温度上升至Tg附近时,其物性就会开始发生幅度较大的变化。

此为热机分析法TMA,针对试样量测其Tg的说明

图1.此为热机分析法TMA,针对试样量测其Tg的说明。当试样增温中Z轴板厚逐渐涨厚的情形当此热胀曲线由室温玻璃态的α-1CTE斜率,转折到高温橡胶态之α-2CTE斜率时,其间过渡态所对应的温度范围即为Tg

除了TMA测试法外,尚另有"示差扫瞄热卡分析法"(DSC)以及"动态热机分析法"等两种途径可以测量Tg。不同于TMA者,DSC之分析是测量板材热流量对应于温度的变化,吸热或放热反应都会改变树脂在Tg范围内的温度递增。至于利用DSC所测得之Tg,通常会较TMA测量结果高出约5℃。另一种动态热机分析法之DMA则是测量板材模数与温度的关系,其读値将会更高出15℃以上,IPC规范较认同于TMA之测値。

上述TMA热分析仪器,除了可用以量测完工板材的Tg外,尚可将完工板材放置在其高温试皿中,在所设定260℃、288℃或300℃的高温环境中,监视各种完工板材在Z方向耐热裂解的时间,简称为T260 、T288与T300 ;以模拟多次无铅焊接中是否会出现爆板与裂层。目前IPC-4101B已将上述三项做法列入规格单中,堪称是一项因无铅而导致FR-4 板材的重大改革。

说明在无铅焊接的强热中Tg与α-2CTE对板材耐强热的差异

图2、此图说明Tg与α-2CTE对板材耐强热的差异,由此图可知在无铅焊接的强热中,其等α-2CTE要比Tg更为关键。

3.2、热胀系数(CTEs)的诠释

众多文献均表示高Tg即代表树脂品质较好,然而无铅焊接之情况却不尽然如此。通常高Tg无疑地会延缓树脂发生快速热膨胀前的起始温度,至于其总体热胀量,则因板材之种类而各异。Tg较低的板材,其总体热胀量也较少。此外,在树脂中加入某些塡充料者亦可降低其CTE 。由上图2所示之三种树脂材料可看出,C材的Tg较A材为高,但因C材的CTE値在Tg之后便后急速上升,故其总体热膨胀量远比A材更大而更差。再以A与B为例,若两种材料在Tg前后之CTE皆相同,但Tg较高的B ,其总热胀量仍将低于A 。最后,虽然B与C的Tg都相同,但由于B在Tg后的CTE较低,故B的总体热胀量也就相对较少了 。

由下图3中可另见到三种板材的Tg皆为175℃ ,但却因其等Z轴热胀系数有所不同,进而导致热胀速率的差异。此图3中三种材料的主要差异为Tg后之热胀系数α-2CTE彼此有别。总而言之,板材之总体热胀系数较低者,将有助于其通孔铜壁可靠度的改善。

事实上,世事却不尽然如此!在继续讨论基材其他重要特性之前,必须先说明Tg与CTE两者之关系。高Tg 板材的优点之一,是Z轴热胀系数较低,故具有较低的总体热胀量,因此可延缓Tg后尺寸快速热胀的不利现象,并可减少铜壁中的残馀应力。

不过在少数特例中,高Tg板材也有可能比低Tg在的CTE方面来得还大,因此,在选择板材时,还必须将CTE考虑在内。各板材的Tg虽相同但其CTE也可能不同,当进行热循环试验时,通孔铜壁所感受的应力也会随之不同。图3中的C材就同时具有高Tg与低CTE等双重优点。

此图说明三种电路板板材的Tg都在175℃

图3,此图说明三种板材的Tg都在175℃,但其等α-2CTE却不同,此时当然要选Tg后热胀最小的C材,才最有利于无铅焊

3.3、以TGA法找出裂解温度

当电路板制作温度升高时如(无铅焊接),板材的裂解温度Td将变得极为重要。裂解温度是指树脂的化性或物性实际已发生劣化时的温度。此种特性,可用"热重分析法"(TGA)加以测量。TGA可测量试样重量相对于升温的变化。当试样在高温中因树脂裂解而失重达5%时,其所对应之温度即为该材料的裂解温度Td。图4中,两种FR-4材料之Tg虽然相同,但其Td却有所差异。无铅焊接的更高温环境中,板材的Tg虽仍为一项重要的参数,但Td之重要性却更有过之。

图4,板材抵抗无铅强热的另一项更重要品质, 就是耐热裂温度(Td)。其定义是当板材在TGA高温中受热分解而失重超过5%者, 该温度即称之为热裂温度,图中传统FR-4 之Td为320℃ ,而强化FR-4之Td为350℃。

Td的定义虽为试样减重达5%时的温度,但当减重已至2-3%时,即可视为树脂已开始发生劣化而裂解。由图4所示,传统锡铅熔焊之峰温可达210-235℃ ,最常使用者约为225℃ ,在此温度范围内,板材尚不至于发生裂解现象。然而,无铅熔焊之温度至少须再提高25℃在此等强热环境中,传统板材将会发生2-3%的减重,此种情况中将会产生不同程度的树脂裂解。

为了瞭解多次熔焊过程,并比对传统锡铅焊接和无铅焊接SAC之影响起现,可试以TGA进行大量分析。上图3中是以三种板材为例;这些板材的Tg皆为175℃ ,但A的Tg为310℃,而B与C之Td另为350℃。图5与图6之数据分别说明在235℃及260℃的热循环试验下,各板材累计失重的趋势图。

将TGA试温恒定于235℃ ,经多次循环后的失重比较

图5,以TGA方式在235℃:模拟有铅焊接的多次试验中,可见到三种板材均未失重而保持良好

将TGA试温恒定于260℃,经多次循环后的失重比较

TGA的试验温度提升到260℃而模拟电路板无铅焊接

图6 ,但若将TGA的试验温度提升到260℃而模拟无铅焊接时,经多次试验后,发现A材已逐渐减重而失效

由图5所示可知,四种板材不论Tg或Td如何,在235℃的峰温试验中,其等重量几乎都没有因损失而劣化。然而,图6却显示不同的故事,在更高温260℃的多次试验下,Td较高的板材几乎仍未出现减重,但Td较低的一般性板材,其树脂却开始发生明显劣化,以致急遽出现减重之情形。

3.4以DMA法量测板材的储存模数

板材中的环氧树脂,常温中是一种在具有弹性的聚合物,但高温中变软后却又具有黏性,特称之为黏弹性。当某物体具有"黏弹性" 时,一旦受到外力的拉伸或压迫时,当该物体会发生与施力方向相同的变化者,称之为弹性;若发生与施力方向垂直方向的变化者,称之为黏性。此种黏弹性会随时间,温度,与冷热频率而逐渐变化。若将树脂板材刻意在DMA的高温中〈235 ℃、260℃ 〉,以「动态热机分析法」(DMA),多次量测其Tg与储存模数量时,一旦发现某板材在此二项特性均出现数据之下降者,即表该板已出现耐热性不良的劣化了 ,是另类监视板材耐热品质的精密方法,现以图示方式说明于后。

左图为储存模量的简要说明

图7,左图为储存模量的简要说明,首先是黑色的泥土球,在极少黏弹性下,自由落地后几乎停止不动,其次是超级球经自由落地后反弹极高。而常见的网球,自由落地后反弹的高度即可视为仍储存模量,而距原高度所损失的落差即为损失模量。右图即为两者在升温中遂渐下降的趋势,以及Tg的区域。

下图10与图11系使用DMA对三种板材Tg所测得的结果,分别设定于235℃及260℃的热循环试验中,量测分析其板材Tg的变化。当在235℃时,三种板材之Tg都维持在175℃以上而没有明显变化。然而当峰温再升高达260℃时,Td为310℃的现行"标准"式A材,即已明显发生Tg逐渐下降的劣变情形。相较之下,Td为350℃的板材B与C,其纵轴的Tg数値仍然十分稳定。由于树脂成分的不同,甚至在多次加温中聚合度稍增下,还使得Tg稍微增加了几度。

为DMA仪器的外观与重要组件的说明

图8,右图为DMA仪器的外观与重要组件的说明,右图为试样一种承载架的详细画面,系将试样板片的左右加以固定,中央夹具则可上卞浮动,在垂直方向施加上下的外力后,该试即反应出弹性与黏的讯号数据。

图9,当施加外力后,所产生的应变方向与施力方向完全相同者称弹性,应变方向针对施力方向落后90度者者称为黏性,介于其间者即为黏弹性。

将DMA试温恒定于235℃,对Tg进行多次试验的变化情形

动态机械分析可用以量测有机板材的黏弹性与储存模数

图10.动态机械分析可用以量测有机板材的黏弹性与储存模数。当于235℃模拟有铅焊接之高温中多次测试Tg时,若读值皆未变化,则表该板材在该温度中尚称稳定。

将DMA试温恒定于260℃,对Tg进行多次试验的变化情形

以DMA另行模拟电路板无铅焊接的260℃高温情形

图11 ,若以DMA另行模拟无铅焊接的260℃高温中,刻意多次量测其Tg ,发现行常用A产品之Tg不断下降,即表示该种A板材已在高热中发生热裂解了 。而Tg仍能维不致下降者,即表其已具良好的抗热性。

模量可视为聚合物的刚性;或称硬挺性,板材经多次高温后,凡耐热性较差者,其模量自必有所损失,而所剩馀的储存模量当然就会愈来愈少了 。DMA还可测量板材的"储存模数";此种储存模数与材料的抗挠强度和硬挺性有关,此二物性对于PCB下游组装厂堪称非常重要。因为硬挺性较佳者,可于热循环中仍保持其抗挠强度(耐弯曲性),进而使得在元件焊接时,较能避免板面下凹或板弯板翘的缺点。图12及图13分别表达板材A与B在235℃及260℃的多次循环试验下,其储存模量的百分比变化情形。由本测试结果显示,Tg为175℃所谓的"标准"A板材,不论在235℃或260℃的多次DMA试验后,其储存模量都不免会降低, 且在260℃的试验中下降更为严重,此即说明其抗热性仍有待加强。Tg为175℃及Td为350℃的板材B,则在两种峰温中经,八多次循环测试后进一步証明了耐热性的良好。

在235℃恒温中以多次循环测试后,其储存模数的变化比较

电路板测试板材机型DMA测试Tg

图12.当A与板材经过DMA在235℃中多次测试其Tg时,由于其Tg不断下降之储存模量也在不断下降,换言之人材耐强热性质已不如B材。

在260℃恒温中以多次循环测试后,其储存模数的变化比较

若再将A材与B材模拟260℃之无铅焊接时,发现DMA试验后A材储存模量的下降更为严重

图13.若再将A材与B材模拟260℃之无铅焊接时,发现DMA试验后A材储存模量的下降更为严重。

作者:雷磊

来源:磐信电路板

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