pcb教材03.docx

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pcb教材03

三.基板

　　印刷電路板是以銅箔基板（Copper-cladLaminate簡稱CCL）做為原料而製造的電器或電子的重要機構元件,故從事電路板之上下游業者必須對基板有所瞭解:

有那些種類的基板,它們是如何製造出來的,使用於何種產品,它們各有那些優劣點,如此才能選擇適當的基板.表3.1簡單列出不同基板的適用場合.

　　基板工業是一種材料的基礎工業，是由介電層（樹脂Resin，玻璃纖維Glassfiber），及高純度的導體（銅箔Copperfoil）二者所構成的複合材料（Compositematerial），其所牽涉的理論及實務不輸於電路板本身的製作。

以下即針對這二個主要組成做深入淺出的探討.

3.1介電層　

3.1.1樹脂Resin

3.1.1.1前言　　

　　目前已使用於線路板之樹脂類別很多,如酚醛樹脂（Phenolic）、環氧樹脂（Epoxy）、聚亞醯胺樹脂（Polyimide）、聚四氟乙烯（Polytetrafluorethylene，簡稱PTFE或稱TEFLON），B一三氮樹脂（BismaleimideTriazine簡稱BT）等皆為熱固型的樹脂（ThermosettedPlasticResin）。

3.1.1.2酚醛樹脂PhenolicResin

　　是人類最早開發成功而又商業化的聚合物。

是由液態的酚（phenol）及液態的甲醛（Formaldehyde俗稱Formalin）兩種便宜的化學品，在酸性或鹼性的催化條件下發生立體架橋（Crosslinkage）的連續反應而硬化成為固態的合成材料。

其反應化學式見圖3.1

　　1910年有一家叫Bakelite公司加入帆布纖維而做成一種堅硬強固，絕緣性又好的材料稱為Bakelite，俗名為電木板或尿素板。

　　美國電子製造業協會（NEMA-NationlElectricalManufacturersAssociation）將不同的組合冠以不同的編號代字而為業者所廣用,現將酚醛樹脂之各產品代字列表，如表NEMA對於酚醛樹脂板的分類及代碼

　　表中紙質基板代字的第一個"X"是表示機械性用途，第二個"X"是表示可用電性用途。

第三個"X"是表示可用有無線電波及高濕度的場所。

"P"表示需要加熱才能沖板子（Punchable），否則材料會破裂，"C"表示可以冷沖加工（coldpunchable），"FR"表示樹脂中加有不易著火的物質使基板有難燃（FlameRetardent）或抗燃（Flameresistance）性。

　　紙質板中最暢銷的是XXXPC及FR-2．前者在溫度25℃以上,厚度在.062in以下就可以沖製成型很方便，後者的組合與前完全相同，只是在樹脂中加有三氧化二銻增加其難燃性。

以下介紹幾個較常使用紙質基板及其特殊用途:

A常使用紙質基板

　a.XPCGrade：

通常應用在低電壓、低電流不會引起火源的消費性電子產品，如玩具、手提收音機、電話機、計算機、遙控器及鐘錶等等。

UL94對XPCGrade要求只須達到HB難燃等級即可。

　b.FR-1Grade：

電氣性、難燃性優於XPCGrade，廣泛使用於電流及電壓比XPCGrade稍高的電器用品，如彩色電視機、監視器、VTR、家庭音響、洗衣機及吸塵器等等。

UL94要求FR-1難燃性有V-0、V-1與V-2不同等級，不過由於三種等級板材價位差異不大，而且考慮安全起見，目前電器界幾乎全採用V-0級板材。

　c.FR-2Grade：

在與FR-1比較下，除電氣性能要求稍高外，其他物性並沒有特別之處，近年來在紙質基板業者努力研究改進FR-1技術，FR-1與FR-2的性質界線已漸模糊,FR-2等級板材在不久將來可能會在偏高價格因素下被FR-1所取代。

B.其他特殊用途：

　a.銅鍍通孔用紙質基板

　　主要目的是計劃取代部份物性要求並不高的FR-4板材，以便降低PCB的成本.

　b.銀貫孔用紙質基板

　　時下最流行取代部份物性要求並不很高的FR-4作通孔板材，就是銀貫孔用紙質基板印刷電路板兩面線路的導通，可直接借由印刷方式將銀膠（SilverPaste）塗佈於孔壁上，經由高溫硬化，即成為導通體，不像一般FR-4板材的銅鍍通孔，需經由活化、化學銅、電鍍銅、錫鉛等繁雜手續。

　b-1基板材質

　　1）尺寸安定性：

　　　除要留意X、Y軸（纖維方向與橫方向）外，更要注意Z軸（板材厚度方向），因熱脹冷縮及加熱減量因素容易造成銀膠導體的斷裂。

　　2）電氣與吸水性：

許多絕緣體在吸濕狀態下，降低了絕緣性，以致提供金屬在電位差趨動力下發生移行的現象，FR-4在尺寸安性、電氣性與吸水性方面都比FR-1及XPC佳，所以生產銀貫孔印刷電路板時，要選用特製FR-1及XPC的紙質基板.板材。

　b.-2導體材質

　　1）導體材質銀及碳墨貫孔印刷電路的導電方式是利用銀及石墨微粒鑲嵌在聚合體內，藉由微粒的接觸來導電，而銅鍍通孔印刷電路板，則是借由銅本身是連貫的結晶體而產生非常順暢的導電性。

　　2）延展性：

　　　銅鍍通孔上的銅是一種連續性的結晶體，有非常良好的延展性，不會像銀、碳墨膠在熱脹冷縮時，容易發生界面的分離而降低導電度。

　　3）移行性：

　　　銀、銅都是金屬材質，容易發性氧化、還原作用造成銹化及移行現象，因電位差的不同，銀比銅在電位差趨動力下容易發生銀遷移（SilverMigration）。

　c.碳墨貫孔（CarbonThroughHole）用紙質基板.

　　碳墨膠油墨中的石墨不具有像銀的移行特性，石墨所擔當的角色僅僅是作簡單的訊號傳遞者，所以PCB業界對積層板除了碳墨膠與基材的密著性、翹曲度外，並沒有特別要求.石墨因有良好的耐磨性，所以CarbonPaste最早期是被應用來取代KeyPad及金手指上的鍍金，而後延伸到扮演跳線功能。

碳墨貫孔印刷電路板的負載電流通常設計的很低，所以業界大都採用XPC等級，至於厚度方面，在考慮輕、薄、短、小與印刷貫孔性因素下，常通選用0.8、1.0或1.2mm厚板材。

　d.室溫沖孔用紙質基板其特徵是紙質基板表面溫度約40℃以下，即可作Pitch為1.78mm的IC密集孔的沖模，孔間不會發生裂痕，並且以減低沖模時紙質基板冷卻所造成線路精準度的偏差，該類紙質基板非常適用於細線路及大面積的印刷電路板。

　e.抗漏電壓（Anti-Track）用紙質基板人類的生活越趨精緻，對物品的要求且也就越講就短小輕薄，當印刷電路板的線路設計越密集，線距也就越小，且在高功能性的要求下，電流負載變大了，那麼線路間就容易因發生電弧破壞基材的絕緣性而造成漏電，紙質基板業界為解決該類問題，有供應採用特殊背膠的銅箔所製成的抗漏電壓用紙質基板

2.1.2環氧樹脂EpoxyResin

　　是目前印刷線路板業用途最廣的底材。

在液態時稱為清漆或稱凡立水（Varnish）或稱為A-stage，玻璃布在浸膠半乾成膠片後再經高溫軟化液化而呈現黏著性而用於雙面基板製作或多層板之壓合用稱B-stageprepreg,經此壓合再硬化而無法回復之最終狀態稱為C-stage。

2.1.2.1傳統環氧樹脂的組成及其性質

　　用於基板之環氧樹脂之單體一向都是BisphenolA及Epichlorohydrin用dicy做為架橋劑所形成的聚合物。

為了通過燃性試驗（Flammabilitytest）,將上述仍在液態的樹脂再與Tetrabromo-BisphenolA反應而成為最熟知FR-4傳統環氧樹脂。

現將產品之主要成份列於後:

單體--BisphenolA,Epichlorohydrin

架橋劑（即硬化劑）-雙氰Dicyandiamide簡稱Dicy

速化劑（Accelerator）--Benzyl-Dimethylamine（BDMA）及2-Methylimidazole（2-MI）

溶劑--Ethyleneglycolmonomethylether（EGMME）Dimethylformamide（DMF）及稀釋劑Acetone,MEK。

填充劑（Additive）--碳酸鈣、矽化物、及氫氧化鋁或化物等增加難燃效果。

填充劑可調整其Tg.

A.單體及低分子量之樹脂

　　典型的傳統樹脂一般稱為雙功能的環氣樹脂（DifunctionalEpoxyResin）,見圖3.2.

為了達到使用安全的目的，特於樹脂的分子結構中加入溴原子，使產生部份碳溴之結合而呈現難燃的效果。

也就是說當出現燃燒的條件或環境時，它要不容易被點燃，萬一已點燃在燃燒環境消失後，能自己熄滅而不再繼續延燒。

見圖3.3.

此種難燃材炓在NEMA規範中稱為FR-4。

（不含溴的樹脂在NEMA規範中稱為G-10）此種含溴環氧樹脂的優點很多如介電常數很低，與銅箔的附著力很強，與玻璃纖維結合後之撓性強度很不錯等。

B.架橋劑（硬化劑）

　　環氧樹脂的架橋劑一向都是Dicy,它是一種隱性的（latent）催化劑,在高溫160℃之下才發揮其架橋作用，常溫中很安定，故多層板B-stage的膠片才不致無法儲存。

但Dicy的缺點卻也不少，第一是吸水性（Hygroscopicity），第二個缺點是難溶性。

溶不掉自然難以在液態樹脂中發揮作用。

早期的基板商並不瞭解下游電路板裝配工業問題，那時的dicy磨的不是很細，其溶不掉的部份混在底材中，經長時間聚集的吸水後會發生針狀的再結晶,造成許多爆板的問題。

當然現在的基板製造商都很清處它的嚴重性,因此已改善此點.

C.速化劑

　　用以加速epoxy與dicy之間的架橋反應，最常用的有兩種即BDMA及2-MI。

D.Tg玻璃態轉化溫度

　　高分子聚合物因溫度之逐漸上升導致其物理性質漸起變化，由常溫時之無定形或部份結晶之堅硬及脆性如玻璃一般的物質而轉成為一種黏滯度非常高,柔軟如橡皮一般的另一種狀態。

傳統FR4之Tg約在115-120℃之間，已被使用多年，但近年來由於電子產品各種性能要求愈來愈高,所以對材料的特性也要求日益嚴苛，如抗濕性、抗化性、抗溶劑性、抗熱性,尺寸安定性等都要求改進,以適應更廣泛的用途,而這些性質都與樹脂的Tg有關,Tg提高之後上述各種性質也都自然變好。

例如Tg提高後,a.其耐熱性增強，使基板在X及Y方向的膨脹減少，使得板子在受熱後銅線路與基材之間附著力不致減弱太多，使線路有較好的附著力。

b.在Z方向的膨脹減小後，使得通孔之孔壁受熱後不易被底材所拉斷。

c.Tg增高後，其樹脂中架橋之密度必定提高很多使其有更好的抗水性及防溶劑性，使板子受熱後不易發生白點或織紋顯露，而有更好的強度及介電性.至於尺寸的安定性,由於自動插裝或表面裝配之嚴格要求就更為重要了。

因而近年來如何提高環氧樹脂之Tg是基板材所追求的要務。

E.FR4難燃性環氧樹脂

　　傳統的環氧樹脂遇到高溫著火後若無外在因素予以撲滅時，會不停的一直燃燒下去直到分子中的碳氫氧或氮燃燒完畢為止。

若在其分子中以溴取代了氫的位置，使可燃的碳氫鍵化合物一部份改換成不可燃的碳溴鍵化合物則可大大的降低其可燃性。

此種加溴之樹脂難燃性自然增強很多，但卻降低了樹脂與銅皮以及玻璃間的黏著力，而且萬一著火後更會放出劇毒的溴氣，會帶來的不良後果。

3.1.2.2高性能環氧樹脂（MultifunctionalEpoxy）

　　傳統的FR4對今日高性能的線路板而言已經力不從心了，故有各種不同的樹脂與原有的環氧樹脂混合以提升其基板之各種性質，

　A.Novolac

　　最早被引進的是酚醛樹脂中的一種叫Novolac者,由Novolac與環氧氯丙烷所形成的酯類稱為EpoxyNovolacs，見圖3.4之反應式.

將此種聚合物混入FR4之樹脂，可大大改善其抗水性、抗化性及尺寸安定性,Tg也隨之提高，缺點是酚醛樹脂本身的硬度及脆性都很高而易鑽頭，加之抗化性能力增強,對於因鑽孔而造成的膠渣（Smear）不易除去而造成多層板PTH製程之困擾。

　B.TetrafunctionalEpoxy

　　另一種常被添加於FR4中的是所謂"四功能的環氧樹脂"（TetrafunctionalEpoxyResin）.其與傳統"雙功能"環氧樹脂不同之處是具立體空間架橋,見圖3.5，Tg較高能抗較差的熱環境，且抗溶劑性、抗化性、抗濕性及尺寸安定性也好很多，而且不會發生像Novolac那樣的缺點。

最早是美國一家叫Polyclad的基板廠所引進的。

四功能比起Novolac來還有一種優點就是有更好的均勻混合。

為保持多層板除膠渣的方便起見，此種四功能的基板在鑽孔後最好在烤箱中以160℃烤2-4小時,使孔壁露出的樹脂產生氧化作用，氧化後的樹脂較容易被蝕除，而且也增加樹脂進一步的架橋聚合,對後來的製程也有幫助。

因為脆性的關係,鑽孔要特別注意.

3-5

　　上述兩種添加樹脂都無法溴化,故加入一般FR4中會降低其難燃性.

3.1.2.3聚亞醯胺樹脂Polyimide（PI）

A.成份

　　主要由Bismaleimide及MethyleneDianiline反應而成的聚合物,見圖3.6.

B.優點

　　電路板對溫度的適應會愈來愈重要，某些特殊高溫用途的板子，已非環氧樹脂所能勝任，傳統式FR4的Tg約120℃左右，即使高功能的FR4也只到達180-190℃，比起聚亞醯胺的260℃還有一大段距離.PI在高溫下所表現的良好性質,如良好的撓性、銅箔抗撕強度、抗化性、介電性、尺寸安定性皆遠優於FR4。

鑽孔時不容易產生膠渣，對內層與孔壁之接通性自然比FR4好。

而且由於耐熱性良好，其尺寸之變化甚少，以X及Y方向之變化而言，對細線路更為有利，不致因膨脹太大而降低了與銅皮之間的附著力。

就Z方向而言可大大的減少孔壁銅層斷裂的機會。

C.缺點:

　　a.不易進行溴化反應，不易達到UL94V-0的難燃要求。

　　b.此種樹脂本身層與層之間，或與銅箔之間的黏著力較差，不如環氧樹脂那麼強，而且撓性也較差。

　　c.常溫時卻表現不佳，有吸濕性（Hygroscopic）,而黏著性、延性又都很差。

　　d.其凡立水（Varnish,又稱生膠水,液態樹脂稱之）中所使用的溶劑之沸點較高，不易趕完，容易產生高溫下分層的現象。

而且流動性不好,壓合不易填滿死角。

　　e.目前價格仍然非常昂貴約為FR4的2-3倍，故只有軍用板或Rigid-Flex板才用的起。

　　在美軍規範MIL-P-13949H中,聚亞醯胺樹脂基板代號為GI.

3.1.2.4聚四氟乙烯（PTFE）

　　全名為Polyterafluoroethylene,分子式見圖3.7.

以之抽絲作PTFE纖維的商品名為Teflon鐵弗龍,其最大的特點是阻抗很高（Impedance）對高頻微波（microwave）通信用途上是無法取代的，美軍規範賦與"GT"、"GX"、及"GY"三種材料代字,皆為玻纖補強type，其商用基板是由3M公司所製，目前這種材料尚無法大量投入生產，其原因有:

A.PTFE樹脂與玻璃纖維間的附著力問題；此樹脂很難滲入玻璃束中，因其抗化性特強，許多濕式製程中都無法使其反應及活化，在做鍍通孔時所得之銅孔壁無法固著在底材上，很難通過MILP-55110E中4.8.4.4之固著強度試驗。

由於玻璃束未能被樹脂填滿，很容易在做鍍通孔時造成玻璃中滲銅（Wicking）的出現，影響板子的可信賴度。

B.此四氟乙烯材料分子結構，非常強勁無法用一般機械或化學法加以攻擊，做蝕回時只有用電漿法.

C.Tg很低只有19度c,故在常溫時呈可撓性，也使線路的附著力及尺寸安定性不好。

表為四種不同樹脂製造的基板性質的比較.

3.1.2.5BT/EPOXY樹脂

　　BT樹脂也是一種熱固型樹脂，是日本三菱瓦斯化成公司（MitsubishiGasChemicalCo.）在1980年研製成功。

是由Bismaleimide及TrigzineResinmonomer二者反應聚合而成。

其反應式見圖3.8。

BT樹脂通常和環氧樹脂混合而製成基板。

A.優點

　　a.Tg點高達180℃，耐熱性非常好，BT作成之板材，銅箔的抗撕強度（peelStrength），撓性強度亦非常理想鉆孔後的膠渣（Smear）甚少

　　b.可進行難燃處理，以達到UL94V-0的要求

　　c.介質常數及散逸因數小，因此對於高頻及高速傳輸的電路板非常有利。

　　d.耐化性，抗溶劑性良好

　　e.絕緣性佳

B.應用

　　a.COB設計的電路板由於wirebonding過程的高溫，會使板子表面變軟而致打線失敗。

BT/EPOXY高性能板材可克服此點。

　　b.BGA,PGA,MCM-Ls等半導體封裝載板半導體封裝測試中，有兩個很重要的常見問題，一是漏電現象，或稱CAF（ConductiveAnodicFilament）,一是爆米花現象（受濕氣及高溫衝擊）。

這兩點也是BT/EPOXY板材可以避免的。

3.1.2.6CyanateEsterResin

　　1970年開始應用於PCB基材，目前CibaGeigy有製作此類樹脂。

其反應式如圖3.9。

A.優點

　　a.Tg可達250℃，使用於非常厚之多層板

　　b.極低的介電常數（2.5~3.1）可應用於高速產品。

B.問題

　　a.硬化後脆度高.

　　b.對濕度敏感，甚至可能和水起反應.

3.1.2玻璃纖維

3.1.2.1前言

　　玻璃纖維（Fiberglass）在PCB基板中的功用，是作為補強材料。

基板的補強材料尚有其它種，如紙質基板的紙材，Kelvar（Polyamide聚醯胺）纖維，以及石英（Quartz）纖維。

本節僅討論最大宗的玻璃纖維。

　　玻璃（Glass）本身是一種混合物，其組成見表它是一些無機物經高溫融熔合而成，再經抽絲冷卻而成一種非結晶結構的堅硬物體。

此物質的使用，已有數千年的歷史。

做成纖維狀使用則可追溯至17世紀。

真正大量做商用產品，則是由Owen-Illinois及CorningGlassWorks兩家公司其共同的研究努力後，組合成Owens-CorningFiberglasCorporation於1939年正式生產製造。

3.1.2.2玻璃纖維布

　　玻璃纖維的製成可分兩種，一種是連續式（Continuous）的纖維另一種則是不連續式（discontinuous）的纖維前者即用於織成玻璃布（Fabric），後者則做成片狀之玻璃蓆（Mat）。

FR4等基材，即是使用前者，CEM3基材，則採用後者玻璃蓆。

A.玻璃纖維的特性

　　原始融熔態玻璃的組成成份不同，會影響玻璃纖維的特性，不同組成所呈現的差異，表中有詳細的區別，而且各有獨特及不同應用之處。

按組成的不同（見表），玻璃的等級可分四種商品：

A級為高鹼性，C級為抗化性，E級為電子用途，S級為高強度。

電路板中所用的就是E級玻璃，主要是其介電性質優於其它三種。

　　－玻璃纖維一些共同的特性如下所述：

　　　a.高強度：

和其它紡織用纖維比較，玻璃有極高強度。

在某些應用上，其強度/重量比甚至超過鐵絲。

　　　b.抗熱與火：

玻璃纖維為無機物，因此不會燃燒

　　　c.抗化性：

可耐大部份的化學品，也不為黴菌，細菌的滲入及昆蟲的功擊。

　　　d.防潮：

玻璃並不吸水，即使在很潮濕的環境，依然保持它的機械強度。

　　　e.熱性質：

玻纖有很低的熬線性膨脹係數，及高的熱導係數，因此在高溫環境下有極佳的表現。

　　　f.電性：

由於玻璃纖維的不導電性，是一個很好的絕緣物質的選擇。

　　PCB基材所選擇使用的E級玻璃，最主要的是其非常優秀的抗水性。

因此在非常潮濕，惡劣的環境下，仍然保有非常好的電性及物性一如尺寸穩定度。

　　－玻纖布的製作：

　　　玻璃纖維布的製作，是一係列專業且投資全額龐大的製程本章略而不談．

3.2銅箔（copperfoil）

　　早期線路的設計粗粗寬寬的,厚度要求亦不挑剔,但演變至今日線寬3,4mil,甚至更細（現國內已有工廠開發1mil線寬）,電阻要求嚴苛.抗撕強度,表面Profile等也都詳加規定.所以對銅箔發展的現況及驅勢就必須進一步了解.

3.2.1傳統銅箔

3.2.1.1輾軋法（Rolled-orWroughtMethod）

　　是將銅塊經多次輾軋製作而成，其所輾出之寬度受到技術限制很難達到標準尺寸基板的要求（3呎*4呎）,而且很容易在輾製過程中造成報廢，因表面粗糙度不夠,所以與樹脂之結合能力比較不好，而且製造過程中所受應力需要做熱處理之回火軔化（HeattreatmentorAnnealing）,故其成本較高。

A.優點.

　　a.延展性Ductility高,對FPC使用於動態環境下,信賴度極佳.

　　b.低的表面稜線Low-profileSurface,對於一些Microwave電子應用是一利基.

B.缺點.

　　a.和基材的附著力不好.

　　b.成本較高.

　　c.因技術問題,寬度受限.

3.2.1.2電鍍法（ElectrodepositedMethod）

　　最常使用於基板上的銅箔就是ED銅.利用各種廢棄之電線電纜熔解成硫酸銅鍍液，在殊特深入地下的大型鍍槽中，陰陽極距非常短,以非常高的速度沖動鍍液，以600ASF之高電流密度，將柱狀（Columnar）結晶的銅層鍍在表面非常光滑又經鈍化的（passivated）不銹鋼大桶狀之轉胴輪上（Drum），因鈍化處理過的不銹鋼胴輪上對銅層之附著力並不好，故鍍面可自轉輪上撕下，如此所鍍得的連續銅層,可由轉輪速度，電流密度而得不同厚度之銅箔，貼在轉胴之光滑銅箔表面稱為光面（Drumside）,另一面對鍍液之粗糙結晶表面稱為毛面（Matteside）.此種銅箔:

A.優點

　　a.價格便宜.

　　b.可有各種尺寸與厚度.

B.缺點.

　　a.延展性差,

　　b.應力極高無法撓曲又很容易折斷.

3.2.1.3厚度單位

　　一般生產銅箔業者為計算成本,方便訂價，多以每平方呎之重量做為厚度之計算單位，如1.0Ounce（oz）的定義是一平方呎面積單面覆蓋銅箔重量1oz（28.35g）的銅層厚度.經單位換算35微米（micron）或1.35mil.一般厚度1oz及1/2oz而超薄銅箔可達1/4oz,或更低.

3.2.2新式銅箔介紹及研發方向

3.2.2.1超薄銅箔　　

　　一般所說的薄銅箔是指0.5oz（17.5micron）以下，表三種厚度則稱超薄銅箔

　　3/8oz以下因本身太薄很不容易操作故需要另加載體（C