最新PCB电路板材质.docx

最新PCB电路板材质.docx

《最新PCB电路板材质.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《最新PCB电路板材质.docx（11页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

最新PCB电路板材质

PCB电路板材质

PCB（Printedcircuitboard）电路板材质

印刷电路板是以铜箔基板（Copper-cladLaminate简称CCL）做为原料而制造的电器或电子的重要机构组件,故从事电路板之上下游业者必须对基板有所了解:

有那些种类的基板,它们是如何制造出来的,使用于何种产品,它们各有那些优劣点,如此才能选择适当的基板.表3.1简单列出不同基板的适用场合.基板工业是一种材料的基础工业,是由介电层（树脂Resin,玻璃纤维Glassfiber）,及高纯度的导体（铜箔Copperfoil）二者所构成的复合材料（Compositematerial）,其所牵涉的理论及实务不输于电路板本身的制作.以下即针对这二个主要组成做深入浅出的探讨.

3.1介电层

3.1.1树脂Resin

3.1.1.1前言

目前已使用于线路板之树脂类别很多,如酚醛树脂（Phonetic）、环氧树脂（Epoxy）、聚亚醯胺树脂（Polyamide）、聚四氟乙烯（Polytetrafluorethylene,简称PTFE或称TEFLON）,B一三氮树脂（BismaleimideTriazine简称BT）等皆为热固型的树脂（ThermosettedPlasticResin）.

3.1.1.2酚醛树脂PhenolicResin

是人类最早开发成功而又商业化的聚合物.是由液态的酚（phenol）及液态的甲醛（formaldehyde俗称formalin）两种便宜的化学品,在酸性或碱性的催化条件下发生立体架桥（Crosslinkage）的连续反应而硬化成为固态的合成材料.其反应化学式见图3.11910年有一家叫Bakelite公司加入帆布纤维而做成一种坚硬强固,绝缘性又好的材料称为Bakelite,俗名为电木板或尿素板.美国电子制造业协会（NEMA-NationlElectricalManufacturersAssociation）将不同的组合冠以不同的编号代字而为业者所广用,现将酚醛树脂之各产品代字列表,如表NEMA对于酚醛树脂板的分类及代码

表中纸质基板代字的第一个"X"是表示机械性用途,第二个"X"是表示可用电性用途.第三个"X"是表示可用有无线电波及高湿度的场所."P"表示需要加热才能冲板子（Punchable）,否则材料会破裂,"C"表示可以冷冲加工（coldpunchable）,"FR"表示树脂中加有不易着火的物质使基板有难燃（FlameRetardent）或抗燃（Flameresistance）性.

纸质板中最畅销的是XXXPC及FR-2．前者在温度25℃以上,厚度在.062in以下就可以冲制成型很方便,后者的组合与前完全相同,只是在树脂中加有三氧化二锑增加其难燃性.以下介绍几个较常使用纸质基板及其特殊用途:

A常使用纸质基板

a.XPCGrade:

通常应用在低电压、低电流不会引起火源的消费性电子产品,如玩具、手提收音机、电话机、计算器、遥控器及钟表等等.UL94对XPCGrade要求只须达到HB难燃等级即可.

b.FR-1Grade:

电气性、难燃性优于XPCGrade,广泛使用于电流及电压比XPCGrade稍高的电器用品,如彩色电视机、监视器、VTR、家庭音响、洗衣机及吸尘器等等.UL94要求FR-1难燃性有V-0、V-1与V-2不同等级,不过由于三种等级板材价位差异不大,而且考虑安全起见,目前电器界几乎全采用V-0级板材.

c.FR-2Grade:

在与FR-1比较下,除电气性能要求稍高外,其它物性并没有特别之处,近年来在纸质基板业者努力研究改进FR-1技术,FR-1与FR-2的性质界线已渐模糊,FR-2等级板材在不久将来可能会在偏高价格因素下被FR-1所取代.

B.其它特殊用途:

a.铜镀通孔用纸质基板

主要目的是计划取代部份物性要求并不高的FR-4板材,以便降低PCB的成本.

b.银贯孔用纸质基板

时下最流行取代部份物性要求并不很高的FR-4作通孔板材,就是银贯孔用纸质基板印刷电路板两面线路的导通,可直接借由印刷方式将银胶（SilverPaste）涂布于孔壁上,经由高温硬化,即成为导通体,不像一般FR-4板材的铜镀通孔,需经由活化、化学铜、电镀铜、锡铅等繁杂手续.

b-1基板材质

1）尺寸安定性:

除要留意X、Y轴（纤维方向与横方向）外,更要注意Z轴（板材厚度方向）,因热胀冷缩及加热减量因素容易造成银胶导体的断裂.

2）电气与吸水性:

许多绝缘体在吸湿状态下,降低了绝缘性,以致提供金属在电位差趋动力下发生移行的现象,FR-4在尺寸安性、电气性与吸水性方面都比FR-1及XPC佳,所以生产银贯孔印刷电路板时,要选用特制FR-1及XPC的纸质基板.板材.

b.-2导体材质1）导体材质银及碳墨贯孔印刷电路的导电方式是利用银及石墨微粒镶嵌在聚合体内,藉由微粒的接触来导电,而铜镀通孔印刷电路板,则是借由铜本身是连贯的结晶体而产生非常顺畅的导电性.

2）延展性:

铜镀通孔上的铜是一种连续性的结晶体,有非常良好的延展性,不会像银、碳墨胶在热胀冷缩时,容易发生界面的分离而降低导电度.3）移行性:

银、铜都是金属材质,容易发性氧化、还原作用造成锈化及移行现象,因电位差的不同,银比铜在电位差趋动力下容易发生银迁移（SilverMigration）.

c.碳墨贯孔（CarbonThroughHole）用纸质基板.

碳墨胶油墨中的石墨不具有像银的移行特性,石墨所担当的角色仅仅是作简单的讯号传递者,所以PCB业界对积层板除了碳墨胶与基材的密着性、翘曲度外,并没有特别要求.石墨因有良好的耐磨性,所以CarbonPaste最早期是被应用来取代KeyPad及金手指上的镀金,而后延伸到扮演跳线功能.碳墨贯孔印刷电路板的负载电流通常设计的很低,所以业界大都采用XPC等级,至于厚度方面,在考虑轻、薄、短、小与印刷贯孔性因素下,常通选用0.8、1.0或1.2mm厚板材.

d.室温冲孔用纸质基板其特征是纸质基板表面温度约40℃以下,即可作Pitch为1.78mm的IC密集孔的冲模,孔间不会发生裂痕,并且以减低冲模时纸质基板冷却所造成线路精准度的偏差,该类纸质基板非常适用于细线路及大面积的印刷电路板.

e.抗漏电压（Anti-Track）用纸质基板人类的生活越趋精致,对物品的要求且也就越讲就短小轻薄,当印刷电路板的线路设计越密集,线距也就越小,且在高功能性的要求下,电流负载变大了,那么线路间就容易因发生电弧破坏基材的绝缘性而造成漏电,纸质基板业界为解决该类问题,有供应采用特殊背胶的铜箔所制成的抗漏电压用纸质基板

2.1.2环氧树脂EpoxyResin是目前印刷线路板业用途最广的底材.在液态时称为清漆或称凡立水（Varnish）或称为A-stage,玻璃布在浸胶半干成胶片后再经高温软化液化而呈现黏着性而用于双面基板制作或多层板之压合用称B-stageprepreg,经此压合再硬化而无法回复之最终状态称为C-stage.

2.1.2.1传统环氧树脂的组成及其性质

用于基板之环氧树脂之单体一向都是BisphenolA及Epichlorohydrin用dicy做为架桥剂所形成的聚合物.为了通过燃性试验（Flammabilitytest）,将上述仍在液态的树脂再与Tetrabromo-BisphenolA反应而成为最熟知FR-4传统环氧树脂.现将产品之主要成份列于后:

单体--BisphenolA,Epichlorohydrin

架桥剂（即硬化剂）-双氰Dicyandiamide简称Dicy

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

溶剂--Ethyleneglycolmonomethyether（EGMME）Dimethyformamide（DMF）及稀释剂Acetone,MEK.

填充剂（Additive）--碳酸钙、硅化物、及氢氧化铝或化物等增加难燃效果.填充剂可调整其Tg.

A.单体及低分子量之树脂

典型的传统树脂一般称为双功能的环气树脂（DifunctionalEpoxyResin）,见图3.2.为了达到使用安全的目的,特于树脂的分子结构中加入溴原子,使产生部份碳溴之结合而呈现难燃的效果.也就是说当出现燃烧的条件或环境时,它要不容易被点燃,万一已点燃在燃烧环境消失后,能自己熄灭而不再继续延烧.见图3.3.此种难燃材炓在NEMA规范中称为FR-4.（不含溴的树脂在NEMA规范中称为G-10）此种含溴环氧树脂的优点很多如介电常数很低,与铜箔的附着力很强,与玻璃纤维结合后之挠性强度很不错等.

B.架桥剂（硬化剂）

环氧树脂的架桥剂一向都是Dicey,它是一种隐性的（latent）催化剂,在高温160℃之下才发挥其架桥作用,常温中很安定,故多层板B-stage的胶片才不致无法储存.但Dicey的缺点却也不少,第一是吸水性（Hygroscopicity）,第二个缺点是难溶性.溶不掉自然难以在液态树脂中发挥作用.早期的基板商并不了解下游电路板装配工业问题,那时的dicey磨的不是很细,其溶不掉的部份混在底材中,经长时间聚集的吸水后会发生针状的再结晶,造成许多爆板的问题.当然现在的基板制造商都很清处它的严重性,因此已改善此点.

C.速化剂

用以加速epoxy与dicey之间的架桥反应,最常用的有两种即BDMA及2-MI.

D.Tg玻璃态转化温度

高分子聚合物因温度之逐渐上升导致其物理性质渐起变化,由常温时之无定形或部份结晶之坚硬及脆性如玻璃一般的物质而转成为一种黏滞度非常高,柔软如橡皮一般的另一种状态.传统FR4之Tg约在115-120℃之间,已被使用多年,但近年来由于电子产品各种性能要求愈来愈高,所以对材料的特性也要求日益严苛,如抗湿性、抗化性、抗溶剂性、抗热性,尺寸安定性等都要求改进,以适应更广泛的用途,而这些性质都与树脂的Tg有关,Tg提高之后上述各种性质也都自然变好.例如Tg提高后,a.其耐热性增强,使基板在X及Y方向的膨胀减少,使得板子在受热后铜线路与基材之间附着力不致减弱太多,使线路有较好的附着力.b.在Z方向的膨胀减小后,使得通孔之孔壁受热后不易被底材所拉断.c.Tg增高后,其树脂中架桥之密度必定提高很多使其有更好的抗水性及防溶剂性,使板子受热后不易发生白点或织纹显露,而有更好的强度及介电性.至于尺寸的安定性,由于自动插装或表面装配之严格要求就更为重要了.因而近年来如何提高环氧树脂之Tg是基板材所追求的要务.

E.FR4难燃性环氧树脂

传统的环氧树脂遇到高温着火后若无外在因素予以扑灭时,会不停的一直燃烧下去直到分子中的碳氢氧或氮燃烧完毕为止.若在其分子中以溴取代了氢的位置,使可燃的碳氢键化合物一部份改换成不可燃的碳溴键化合物则可大大的降低其可燃性.此种加溴之树脂难燃性自然增强很多,但却降低了树脂与铜皮以及玻璃间的黏着力,而且万一着火后更会放出剧毒的溴气,会带来的不良后果.

3.1.2.2高性能环氧树脂（MultifunctionalEpoxy）

传统的FR4对今日高性能的线路板而言已经力不从心了,故有各种不同的树脂与原有的环氧树脂混合以提升其基板之各种性质,

A.Novolac

最早被引进的是酚醛树脂中的一种叫Novolac者,由Novolac与环氧氯丙烷所形成的酯类称为EpoxyNovolacs,见图3.4之反应式.将此种聚合物混入FR4之树脂,可大大改善其抗水性、抗化性及尺寸安定性,Tg也随之提高,缺点是酚醛树脂本身的硬度及脆性都很高而易钻头,加之抗化性能力增强,对于因钻孔而造成的胶渣（Smear）不易除去而造成多层板PTH制程之困扰.

B.TetrafunctionalEpoxy

另一种常被添加于FR4中的是所谓"四功能的环氧树脂"（TetrafunctionalEpoxyResin）.其与传统"双功能"环氧树脂不同之处是具立体空间架桥,见图3.5,Tg较高能抗较差的热环境,且抗溶剂性、抗化性、抗湿性及尺寸安定性也好很多,而且不会发生像Novolac那样的缺点.最早是美国一家叫Polyclad的基板厂所引进的.四功能比起Novolac来还有一种优点就是有更好的均匀混合.为保持多层板除胶渣的方便起见,此种四功能的基板在钻孔后最好在烤箱中以160℃烤2-4小时,使孔壁露出的树脂产生氧化作用,氧化后的树脂较容易被蚀除,而且也增加树脂进一步的架桥聚合,对后来的制程也有帮助.因为脆性的关系,钻孔要特别注意.

上述两种添加树脂都无法溴化,故加入一般FR4中会降低其难燃性.3.1.2.3聚亚醯胺树脂Polyimide（PI）

A.成份主要由Bismaleimide及MethyleneDianiline反应而成的聚合物,见图3.6.B.优点电路板对温度的适应会愈来愈重要,某些特殊高温用途的板子,已非环氧树脂所能胜任,传统式FR4的Tg约120℃左右,即使高功能的FR4也只到达180-190℃,比起聚亚醯胺的260℃还有一大段距离.PI在高温下所表现的良好性质,如良好的挠性、铜箔抗撕强度、抗化性、介电性、尺寸安定性皆远优于FR4.钻孔时不容易产生胶渣,对内层与孔壁之接通性自然比FR4好.而且由于耐热性良好,其尺寸之变化甚少,以X及Y方向之变化而言,对细线路更为有利,不致因膨胀太大而降低了与铜皮之间的附着力.就Z方向而言可大大的减少孔壁铜层断裂的机会.

C.缺点:

a.不易进行溴化反应,不易达到UL94V-0的难燃要求.b.此种树脂本身层与层之间,或与铜箔之间的黏着力较差,不如环氧树脂那么强,而且挠性也较差.

c.常温时却表现不佳,有吸湿性（Hygroscopic）,而黏着性、延性又都很差.d.其凡立水（Varnish,又称生胶水,液态树脂称之）中所使用的溶剂之沸点较高,不易赶完,容易产生高温下分层的现象.而且流动性不好,压合不易填满死角.e.目前价格仍然非常昂贵约为FR4的2-3倍,故只有军用板或Rigid-Flex板才用的起.在美军规范MIL-P-13949H中,聚亚醯胺树脂基板代号为GI.3.1.2.4聚四氟乙烯（PTFE）

全名为Polyterafluoroethylene,分子式见图3.7.以之抽丝作PTFE纤维的商品名为Teflon铁弗龙,其最大的特点是阻抗很高（Impedance）对高频微波（microwave）通信用途上是无法取代的,美军规范赋与"GT"、"GX"、及"GY"三种材料代字,皆为玻纤补强type,其商用基板是由3M公司所制,目前这种材料尚无法大量投入生产,其原因有:

A.PTFE树脂与玻璃纤维间的附着力问题;此树脂很难渗入玻璃束中,因其抗化性特强,许多湿式制程中都无法使其反应及活化,在做镀通孔时所得之铜孔壁无法固着在底材上,很难通过MILP-55110E中4.8.4.4之固着强度试验.由于玻璃束未能被树脂填满,很容易在做镀通孔时造成玻璃中渗铜（Wicking）的出现,影响板子的可信赖度.B.此四氟乙烯材料分子结构,非常强劲无法用一般机械或化学法加以攻击,做蚀回时只有用电浆法.C.Tg很低只有19度c,故在常温时呈可挠性,也使线路的附着力及尺寸安定性不好.表为四种不同树脂制造的基板性质的比较.3.1.2.5BT/EPOXY树脂

BT树脂也是一种热固型树脂,是日本三菱瓦斯化成公司（MitsubishiGasChemicalCo.）在1980年研制成功.是由Bismaleimide及TrigzineResinmonomer二者反应聚合而成.其反应式见图3.8.BT树脂通常和环氧树脂混合而制成基板.A.优点

a.Tg点高达180℃,耐热性非常好,BT作成之板材,铜箔的抗撕强度（peelStrength）,挠性强度亦非常理想钻孔后的胶渣（Smear）甚少b.可进行难燃处理,以达到UL94V-0的要求c.介质常数及散逸因子小,因此对于高频及高速传输的电路板非常有利.d.耐化性,抗溶剂性良好e.绝缘性佳B.应用a.COB设计的电路板由于wirebonding过程的高温,会使板子表面变软而致打线失败.BT/EPOXY高性能板材可克服此点.b.BGA,PGA,MCM-Ls等半导体封装载板半导体封装测试中,有两个很重要的常见问题,一是漏电现象,或称CAF（ConductiveAnodicFilament）,一是爆米花现象（受湿气及高温冲击）.这两点也是BT/EPOXY板材可以避免的.3.1.2.6CyanateEsterResin1970年开始应用于PCB基材,目前ChibaGeigy有制作此类树脂.其反应式如图3.9.A.优点a.Tg可达250℃,使用于非常厚之多层板b.极低的介电常数（2.5~3.1）可应用于高速产品.

B.问题a.硬化后脆度高.b.对湿度敏感,甚至可能和水起反应.3.1.2玻璃纤维3.1.2.1前言玻璃纤维（Fiberglass）在PCB基板中的功用,是作为补强材料.基板的补强材料尚有其它种,如纸质基板的纸材,Kelvar（Polyamide聚醯胺）纤维,以及石英（Quartz）纤维.本节仅讨论最大宗的玻璃纤维.玻璃（Glass）本身是一种混合物,其组成见表它是一些无机物经高温融熔合而成,再经抽丝冷却而成一种非结晶结构的坚硬物体.此物质的使用,已有数千年的历史.做成纤维状使用则可追溯至17世纪.真正大量做商用产品,则是由Owen-Illinois及CorningGlassWorks两家公司其共同的研究努力后,组合成Owens-CorningFiberglasCorporation于1939年正式生产制造.3.1.2.2玻璃纤维布玻璃纤维的制成可分两种,一种是连续式（Continuous）的纤维另一种则是不连续式（discontinuous）的纤维前者即用于织成玻璃布（Fabric）,后者则做成片状之玻璃席（Mat）.FR4等基材,即是使用前者,CEM3基材,则采用后者玻璃席.A.玻璃纤维的特性原始融熔态玻璃的组成成份不同,会影响玻璃纤维的特性,不同组成所呈现的差异,表中有详细的区别,而且各有独特及不同应用之处.按组成的不同（见表）,玻璃的等级可分四种商品:

A级为高碱性,C级为抗化性,E级为电子用途,S级为高强度.电路板中所用的就是E级玻璃,主要是其介电性质优于其它三种.

-玻璃纤维一些共同的特性如下所述:

a.高强度:

和其它纺织用纤维比较,玻璃有极高强度.在某些应用上,其强度/重量比甚至超过铁丝.b.抗热与火:

玻璃纤维为无机物,因此不会燃烧c.抗化性:

可耐大部份的化学品,也不为霉菌,细菌的渗入及昆虫的功击.d.防潮:

玻璃并不吸水,即使在很潮湿的环境,依然保持它的机械强度.e.热性质:

玻纤有很低的熬线性膨胀系数,及高的热导系数,因此在高温环境下有极佳的表现.f.电性:

由于玻璃纤维的不导电性,是一个很好的绝缘物质的选择.PCB基材所选择使用的E级玻璃,最主要的是其非常优秀的抗水性.因此在非常潮湿,恶劣的环境下,仍然保有非常好的电性及物性一如尺寸稳定度.-玻纤布的制作:

玻璃纤维布的制作,是一系列专业且投资全额庞大的制程本章略而不谈．3.2铜箔（copperfoil）早期线路的设计粗粗宽宽的,厚度要求亦不挑剔,但演变至今日线宽3,4mil,甚至更细（现国内已有工厂开发1mil线宽）,电阻要求严苛.抗撕强度,表面Profile等也都详加规定.所以对铜箔发展的现况及驱势就必须进一步了解.3.2.1传统铜箔3.2.1.1辗轧法（Rolled-orWroughtMethod）是将铜块经多次辗轧制作而成,其所辗出之宽度受到技术限制很难达到标准尺寸基板的要求（3呎*4呎）,而且很容易在辗制过程中造成报废,因表面粗糙度不够,所以与树脂之结合能力比较不好,而且制造过程中所受应力需要做热处理之回火轫化（HeattreatmentorAnnealing）,故其成本较高.A.优点.a.延展性Ductility高,对FPC使用于动态环境下,信赖度极佳.b.低的表面棱线Low-profileSurface,对于一些Microwave电子应用是一利基.B.缺点.a.和基材的附着力不好.b.成本较高.c.因技术问题,宽度受限.3.2.1.2电镀法（ElectrodepositedMethod）最常使用于基板上的铜箔就是ED铜.利用各种废弃之电线电缆熔解成硫酸铜镀液,在殊特深入地下的大型镀槽中,阴阳极距非常短,以非常高的速度冲动镀液,以600ASF之高电流密度,将柱状（Columnar）结晶的铜层镀在表面非常光滑又经钝化的（passivated）不锈钢大桶状之转胴轮上（Drum）,因钝化处理过的不锈钢胴轮上对铜层之附着力并不好,故镀面可自转轮上撕下,如此所镀得的连续铜层,可由转轮速度,电流密度而得不同厚度之铜箔,贴在转胴之光滑铜箔表面称为光面（Drumside）,另一面对镀液之粗糙结晶表面称为毛面（Matteside）.此种铜箔:

A.优点a.价格便宜.b.可有各种尺寸与厚度.B.缺点.a.延展性差,b.应力极高无法挠曲又很容易折断.3.2.1.3厚度单位

一般生产铜箔业者为计算成本,方便订价,多以每平方呎之重量做为厚度之计算单位,如1.0Ounce（oz）的定义是一平方呎面积单面覆盖铜箔重量1oz（28.35g）的铜层厚度.经单位换算35微米（micron）或1.35mil.一般厚度1oz及1/2oz而超薄铜箔可达1/4oz,或更低.3.2.2新式铜箔介绍及研发方向3.2.2.1超薄铜箔

一般所说的薄铜箔是指0.5oz（17.5micron）以下,表三种厚度则称超薄铜箔3/8oz以下因本身太薄很不容易操作故需要另加载体（Carrier）才能做各种操作（称复合式copperfoil）,否则很容易造成损伤.所用之载体有两类,一类是以传统ED铜箔为载体,厚约2.1mil.另一类载体是铝箔,厚度约3mil.两者使用之前须将载体撕离.超薄铜箔最不易克服的问题就是"针孔"或"疏孔"（Porosity）,因厚度太薄,电镀时无法将疏孔完全填满.补救之道是降低电流密度,让结晶变细.细线路,尤其是5mil以下更需要超薄铜箔,以减少蚀刻时的过蚀与侧蚀.3.2.2.2辗轧铜箔对薄铜箔超细线路而言,导体与绝缘基材之间的接触面非常狭小,如何能耐得住二者之间热膨胀系数的巨大差异而仍维持足够的附着力,完全依赖铜箔毛面上的粗化处理是