2008-8-15 15:56:07 资料来源: 作者:
摘要：电子产品无铅化对FR4材料提出了更高的热性能要求，本文论述了在无铅化实行过程中FR4材料在中高端刚性PCB 制程中的应用表现，对高多层刚性PCB 设计及加工提供指引。通过对FR4进行分类试验，对高多层刚性PCB 的CAM 设计进行以材料表现为重点的分析。 1 iee概述
电子产品实施无铅化是一个系统工程，它牵涉到覆铜板技术及性能、PCB 生产工艺及技术、无铅焊接技术及焊料、无铅产品可靠性检测规范及标准。随着两个指令实施的到来，我们应为此做好准备，才能占据更大的主动权和市场份额。
目前批量应用的无铅SAC305 焊料的共熔点为217℃，比传统SnPb系高出34℃；高温焊接时表面张力大，润湿性差。无铅焊料的这两个特点决定着PCB 基板在焊接时比传统SnPb焊接需要承受更大的热冲击：要更高的预热温度（50℃左右）与更长的预热时间（15 秒以上）
；要有更高的焊接温度（20～40℃）；需要有更长的焊接时间，在熔融态的停留时间从60 秒延长到90 秒；焊接后需要有更快的冷却速度，由3℃/秒提高到6℃/秒。因此对PCB 基板的耐热性提出了更高的要求，最根本的是选用高耐热性的CCL 基材。
为了保证CCL 基材的耐热性，IPC 对材料的Tg、Td、ZCTE、耐热裂时间（T260、T288、T300）等性能指标提出了严格要求。
本文所指的中高端PCB，层数从12 层到30 层左右，厚度从2mm 到3.5mm，主要应用于通讯领域，由于RoHS 法规对通讯产品的要求可以豁免到2010 cnsv年，所以主流的此类产品并未直面无铅化所带来的各种问题。对于个别其品，由于设计需求等等原因，层数及板厚均达到了上述范围，所以在设计、加工及装联方面均要满足RoHS 要求。满足目前的无铅化应用条件，除了提高材料的热性能以外，还有从装联出发，开发可以在较低温度下进行回流的焊料，以降低对PCB 的要求。如某日本企业开发的305 焊料，焊接温度通常在绝对湿度by可有可无240℃以下，大减少了焊接过程中的各种缺陷。
2 FR-4 材料应用分类
目前应用的FR4在RoHS 的大旗下发生了巨大的变化，传统Tg135～145℃材料为DICY 固化树脂体系，已不被行业接受，渐渐退出应用；取而代之的是Tg150℃材料。各大CCL 工厂都相继开发出不同形式的高可靠性产品，大体上分为如下几种：Tg 温度在150℃为主的MidTg统一登录
材料；填加CTE较低的材料产出的低CTE 材料；改性环氧树脂或非环氧树脂材料。各家CCL 厂开发出的产品如此之多，令PCB 厂很困难在短期内评估出各种材料的性能，但从市场化的角度讲，目前的非环氧树脂并未进入无铅化的主流，改性环氧的种类较多，但市场化而言，只有两三个型号的材料发展较好，其余主要在开发及推广中。 填料以铝、钡、硅、镁等的氧化物为主，通常为其中一种或多种，量产化后主要由于填料的物理特性及生产制造时的控制能力，不同程度地影响PCB 的加工及装联可靠性等等。填料的生产制造控制能力如粒度和聚合度，会影响到PCB 孔的加工和接合力的变化，这些表现都需要在测试及批量生产过程中进行监控。
3 高中端刚性PCB 相关特点及对材料的要求
对于高中端刚性PCB，其设计要求有电气功能、机械功能和热功能。其中电气功能和机械功能决定了结构设计范围，即层次、厚度、各器件尺寸和孔线的布局。Layout 工程师和
CAM 工程师将在允许的设计范围内进行相应的优化设计。对于无铅化后的主要可靠性项目由于PCB 的设计特征不同，也产生了少许变化。由于此类板主要的装联方式为回流焊，相对于其它低层次PCB，表现出不同的特点，下表主要列出此类板的主要特点.
在国内目前应用的材料中，所面对的基板变形的研究主要与设计及加工应力有关，此处不再进行详细分析。
4 各种材料表现
4.1 通过对目前批量应用材料进行分类，可以选出以下5 威海卫生365种材料进行测试；
4.2 设计及测试条件
样板设计为16X20 英寸，层数为18 层，厚度为2.8mm。内层及BGA 结构设计如下表(表5)所示：
样品进行无铅回流焊接，回流次数为2 次，回流曲线如下图(图1)所示，冷却后进行相关的分析。
4.3 不同材料的性能表现
通过上表设计与PCB 缺陷的表现，对5 种类型材料相关测试，结果统计如下。
4.3.1 粗化面分层
通过对目前粗化面（本司主要对棕化工艺）进行评估，粗化面未有分层，说明各种材料与粗化面的接合力满足焊接时的要求。
4.3.2 孔间介质玻璃纤维开裂
对5 种材料的BGA 孔进行分类测试，结果统计如下图所示。
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以500X 出现纤维开裂作为25 分标准线，以出现50um 裂纹作为50 分，如上图所示。上图评估如下：
Tg140 材料开裂大。说明目前所用的以Dicy 固化的FR4材料在无铅焊接时，如有高密度BGA孔出现，极易产生玻纤内裂纹。
Tg150 无论有无填料，两类材料在玻纤开裂方面相近，可以说明，目前以PN 为主固化剂的材料在热性能方面表现良好。
Tg170 材料在有无填料上表现有较大不同，增加填料后变的易出现开裂。作为日后主要用于无铅方面的材料，就每种类型而言在设计方面也有较大的不同表现，BGA1、4、7 和8 为0.8mm 间距，明显差于1mm 间距的BGA 表现。所以材料的硬脆性又是评估此类材料的一个指标。
4.3.3 焊盘起翘
当过线孔塞孔时，焊盘起翘可以明显减小。同时，高Tg 材料的焊盘起翘明显小于低Tg 材料，说明热膨胀率也是引起焊盘起翘的主要原因。
4.3.4 孔壁树脂内缩
不同材料PCB 的孔壁树脂收缩如图所示，Tg140 和Tg150 材料的树脂收缩都相对较大，当应用Tg170 材料后，树脂的收缩明显减少。由于收缩程度与内层设计的相关性较小，所以，孔壁树脂收缩与材料强相关。
4.3.5 树脂开裂
如图所示，对于8mil 与5mil 的内层环宽，5mil 环宽在热冲击后产生内层垂直向的树脂应力开裂。当环宽增大到8mil 时，开裂现向消失。
不同材料的树脂开裂程度有少许不同，Tg170 材料的开裂程度明显小于Tg150 和Tg140。
4.4 数据总结及分析
通过对高多层且有高密度BGA 试验板测试分析，可以得出如下的设计及加工建议，如下表所示：表6
5 总结：
目前各材料厂家的开发速度明显加快，材料技术的进行也一日千里，本试验只能说明目前市场大批量应用的FR4材料的应用状况，由于出于各种关系，不便于指出具体的型号。同时，因试验数据收集不足以说明所有厚度及层数的PCB 都有同样的表现，所以在18 层左右的板件应用此数据较为合适。
无铅化的应用在高中端PCB 产品方面，材料的改进仅是方面之一，设计因素同样重要。选择好的设计方案，是layout 工程师和CAM 工程师的重要职责。如今的PCB 设计、加工、和装联在国内基本上是各自独立经营，如同本试验所得结果，三方共同合作研究才是真正的解决无铅之路
▲FR-4树脂、铜箔、焊料与背动元件彼此存在热胀系数之差异，其中树脂Z方向的热胀系数高达60ppm/℃，与其它三者差异甚大。
由于锡铅焊接之组装方式已沿用40年以上，不但可靠度佳且上至材料下至制程参数与设备均十分成熟，且过去发生的信赖性问题与因应对策已建立完整的资料库，故发生客诉时，可迅速厘清责任归属。但进入Lead Free时代，从上游材料、PCB表面处理、组装之焊料、设备等与以往大相迳庭，且大家均无使用的经验值，一旦产生问题，除责任不易归属外，后续衍生丢失订单、天价索赔的问题可能层出不穷，故不可不慎
Lead Free组装通用的焊料锡银铜合金（SAC），其熔点、熔焊（Reflow）温度、波焊（Wave Soldering）温度分别较锡铅合金高15℃35℃以上，几乎是目前 FR-4板材耐热的极限。再加上重工的考量，以现有板材因应无铅制程存在相当的风险。
有监于此，美国电路板协会（IPC）乃成立基板材料之委员会，针对无铅制程的要求订
定新规范。然而，无铅时代面临产业上、下游供应链的重新洗牌，委员会各成员基于其所代表公司利益的考量，不得不作若干妥协。最后协调出的版本，似乎尽能达到最低标准。因此，即使通过 IPC规范，并不代表实务面不会发生问题，使用者仍需根据自身的需求仔细研判。
以新版IPC-4101B而言，有几个重要参数：
Tg（板材玻璃转化温度）：可分一般Tg（110℃150℃），中等Tg（150℃170℃），High Tg（＞170℃）以上三大类。
Td（裂解温度）：乃以「热重分析法」（Thermal Gravity Analysis）将树脂加热中失重5％（Weight Loss）之温度点定义为Td。Td可判断板材之耐热性，作为是否可能产生爆板的间接指标。IPC新规范建议因应无铅焊接，一般Tg之Td ＞310℃，Mid Tg之Td＞325℃，High Tg之Td＞340℃。
▲在组装之波焊过程，无铅焊料因过于僵硬，容易产生局部龟裂或将铜环从板面拉起造成局部扯裂的状态。
■Z轴CTE，α1、α2
CTE为热膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion）的简称。PCB在X.Y.方向受到有
玻纤布的钳制，以致CTE不大，约在1215ppm/℃ 左右。但板厚Z方向在无拘束下将扩大为5560ppm/℃。Z轴CTE采「热机分析法」（Thermal Mechanical Analysis简称TMA）量测板材Tg以内的热膨胀系数（α1-CTE），及Tg以上的热膨胀系数（α2-CTE）。目前α1-CTE之上限为60ppm/℃，而α2-CTE之上限为300ppm/℃。其中α2-CTE更受重视。
因为PCB通孔及焊垫中铜的CTE约为1618ppm/℃，与α2-CTE的差距过大容易引起通孔中孔环的断裂（Crack）、铜环自板材拉起、局部扯裂或爆板分层（De-lamination）的情况。另外，50℃260℃之Z轴整体CTE亦很重要。以IPC 4101新规范，一般Tg之Z轴CTE上限为 4％、Mid Tg为3.5％、High Tg则为3％。
■耐热裂时间（T260、T288、T300）
乃是以TMA法将板材逐步加热到260℃、288℃，或300℃之定点温度，然后观察板材在此强热环境中，能够抵抗Z轴膨胀多久而不致裂开，此种忍耐时间即定义为「耐裂时间」。目前新版IPC暂定一般Tg：T260为30分钟、T288为5分钟，Mid Tg：T260为30分钟、T288为5分钟，High Tg：T260为30分钟、T288为15分钟、T300为2分钟。
过去一般人的认知，材料的耐热性往往以Tg为指标，Tg愈高则耐热性愈佳。不少OEM
、ODM的设计工程师亦陷入此迷思。事实上，此观念不尽正确。因为传统的FR-4基材乃以Dicy当硬化剂，而Dicy因含极性，其吸湿性高，虽然Tg高其耐热性未必良好。
▲由传统FR-4板材制作的多层板，因不耐高温热冲击，产生树脂与铜箔分离的现象，俗称分层或爆板。
而针对无铅制程开发的基材，因不使用Dicy作硬化剂，虽然一般或中等Tg亦可达到甚佳的耐热效果。因此，研判耐热性的好坏，以Td及耐热裂时间（T260、T288、T300）较Tg更为贴切。
除此之外，由于PCB及铜箔基板之绝缘层由树脂与玻璃布所构成，当在高电压状态，通孔与通孔、线路与线路、线路与通孔间形成一个电场。而PCB湿制程甚多，水分中或板面因清洁不良残留的电解质可能经由钻孔产生之微裂缝（Micro-crack）顺著玻璃纱（Filament）的方向迁移产生短路，造成绝缘失效，此现像称为CAF（Conductive Anodic Filament）。如果板材的吸湿性低，可降低CAF发生的机率。
总之，在无铅焊组装的冲击下，PCB业面临严苛的挑战。使用传统FR-4基材，因已达材料特性的极限，非常可能发生板弯翘、爆板（De-lamination）、孔环断裂、孔壁树脂内缩、微短路、CAF等信赖性问题。宜慎选技术、质量与商誉佳的基材供应商，及早共同研
拟Lead Free解决方案，才不致落入穷于应付的窘境。
▲以TGA法将树脂加热失重5%，测得之温度即为裂解温度 Td。Td为基材是否能通过无铅焊接之重要指标。
▲以TMA法将基材加热至特定温度，能抵抗Z轴热胀不致裂开的时间，亦为基材能否通过无铅焊接的重要指标。
▲基材在吸水后，产生CAF绝缘失效的现象。
▲通孔与通孔、通孔与线路、线路与线路三种典型CAF绝缘失效的现象。
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