電路設計 - 電路板基板的行業趨勢和重要性

1、FR-4板材的持續創新

簡而言之，電路板的基板主要包括三種原材料：銅箔、樹脂和增强資料。 然而，如果我們進一步研究當前的基質，並考察其多年來的變化，我們會發現基質含量的複雜性是難以想像的。 在無鉛時代，由於電路板製造商對基板質量的要求越來越嚴格，樹脂和基板的效能和規格無疑會變得更加複雜。 基板供應商面臨的挑戰是在各種客戶需求之間找到最佳平衡，以獲得最經濟的生產效益，並將其產品資料提供給整個供應鏈作為參攷。

綜觀FR-4板的發展歷程，多年來，一些運營商一直認為FR-4板已經筋疲力盡，於是轉而使用其他高性能替代品。 每新增一次規格要求，板材供應商都必須努力滿足客戶的需求。 近年來，市場最明顯的發展趨勢是對高Tg板材的需求大幅增加。 事實上，許多操作員對TG問題的理解似乎表明，高TG具有高效率或更好的可靠性。 本文的主要目的之一是解釋下一代FR-4板所需的特性不能用TG完全表達，囙此提出了更多的强耐熱性新規範，以應對無鉛焊接的挑戰。

2.行業趨勢領先基板規格

一系列持續的工業趨勢將促進市場和重新配方板材的採用。 這些趨勢包括多層板的設計趨勢、環保法規和電力需求，如下所述：

2.1. 多板設計趨勢

現時，PCB的設計趨勢之一是提高佈線密度。 實現這一目標有三種方法：第一，减少線寬和線距，使組織面積可以容納越來越密集的佈線； 二是新增電路板層數； 最後，减小了焊盤的孔徑和尺寸。

然而，當組織面積分佈更多的線路時，運行溫度必然會上升。 此外，隨著電路板層數的新增，成品板必然會同步增厚。 否則，只能用較薄的介電層對其進行壓制，以保持原始厚度。 PCB越厚，由熱量積聚引起的通孔壁熱應力新增得越多，這將新增Z方向上的熱膨脹效應。 當選擇較薄的介電層時，意味著必須使用含膠量較多的基材和薄膜； 然而，如果膠水含量更高，通孔在Z方向上的熱膨脹和應力將再次新增。 此外，减小通孔的直徑不可避免地新增了縱橫比； 囙此，為了確保鍍通孔的可靠性，基板必須具有更低的熱膨脹和更好的熱穩定性。

除上述因素外，當電路板組裝組件的密度新增時，通孔的佈局將排列得更緊密。 然而，這會使玻璃束的洩漏更加緊張，甚至會橋接在基底玻璃纖維孔壁之間，導致短路。 這種陽極絲狀洩漏現象（CAF）是無鉛時代人們關注的問題之一。 當然，新一代基板必須具有更好的CAF電阻，以避免無鉛焊接中的頻繁條件。

2.2環境保護法規

環境法規在政治干預下新增了許多對基材的額外要求，如歐盟的RoHS和WEEE指令，這將影響板材規範的製定。 在許多法規中，ROHS限制了焊接過程中的鉛含量。 錫鉛焊料已在裝配廠使用多年。 其合金的熔點為183攝氏度，而熔焊過程的溫度通常在220攝氏度左右。 無鉛主流焊料的錫銀銅合金（如sac305）的熔點約為217攝氏度，通常熔焊時的峰值溫度會高達245攝氏度。 焊接溫度的升高意味著基底必須具有更好的熱穩定性，才能承受多次熔焊引起的熱衝擊。

RoHS指令還禁止一些含鹵素的阻燃劑，包括多氣味聯苯多溴聯苯和多溴二苯醚。 然而，PCB基板中最常用的阻燃劑，四氣味雙酚TBBA，不在RoHS黑名單上。 儘管如此，由於含有TBBA的板材在加熱時灰化反應不當，一些機器品牌仍考慮採用無鹵資料。

2.3電力要求

高速、寬帶和射頻的應用迫使板具有更好的電力效能，即介電常數DK和損耗因數DF，不僅必須保持較低，而且在整個板中保持穩定，並且應具有良好的可控性。 那些滿足這些電力要求的人必須同時在熱穩定性方面較差。 只有這樣，他們的市場需求和份額才能隨著增長而獲得。

3.基材的重要效能

為了考慮無鉛市場所需的熱穩定性，必須注意的物理性能包括：高溫無鉛焊接所需的玻璃化轉變溫度（TG）、熱膨脹係數CTEs和抗裂溫度TD，

玻璃化轉變溫度是評估樹脂基材效能的一個重要名額。 所謂樹脂的Tg，是指當聚合物被加熱到一定的溫度範圍時，樹脂會從室溫下堅硬的“玻璃態”（非固定固體物質的統稱）轉變為高溫下可塑且柔軟的“橡膠態”。Tg前後各種板材的各種效能會大不相同。

所有物質都會因溫度變化而發生膨脹和收縮變化。 TG之前基板的熱膨脹率通常是低的和中等的。 熱機械分析（TMA）可以記錄基板尺寸隨溫度的變化。 通過外推法，由兩條曲線延伸的虛線的交點可以用於訓示溫度，即襯底的Tg。 TG前後曲線斜率的巨大差异表明了兩者的熱膨脹率不同，即所謂的熱膨脹係數（CTEs）。由於板的z-cte會影響成品板的可靠性，對下游組裝更為重要，囙此所有操作員都不能忽視。 需要注意的是，熱膨脹較小的通孔銅壁也會顯示出較小的應力，囙此可靠性也必須更好。 然而，一般認為TG是一個相當固定的溫度點。 事實上，這並不是根據曲線弧度，當板的溫度上升到TG附近時，其物理性質就會開始發生很大變化。

圖1。 這是用於量測樣品Tg的TMA的描述。 當z軸板厚度在樣品加熱過程中逐漸新增時，當熱膨脹曲線從室溫玻璃態轉變為1℃斜率時，轉變為高溫橡膠態。對於2℃斜率，轉變狀態對應的溫度範圍為TG

除了TMA測試方法外，還有差示掃描量熱法（DSC）和發動機動態熱分析法兩種可以量測TG的方法。 與TMA不同的是，DSC分析量測的是板的熱流對應的溫度變化。 吸熱或放熱反應會改變樹脂在TG範圍內的溫度升高。 關於通過DSC量測的TG，其通常比TMA量測結果高約5攝氏度。 DMA的另一種動態熱機械分析方法是量測板材模量與溫度之間的關係。它將高於15攝氏度，並且IPC規範與TMA的量測更一致。

除了量測成品板的Tg外，上述TMA熱分析儀器還可以將成品板放置在其高溫試驗盤中，並在設定的260攝氏度、288攝氏度或300攝氏度的高溫環境中監測各種成品板在Z方向上的耐熱開裂時間，稱為T260， 簡稱t288和T300，以類比在多次無鉛焊接中是否會出現板爆裂和裂紋層。 現時，ipc-4101b上述三種做法已被列入規範清單，這可視為FR-4板因無鉛化而進行的一次重大改革。

3.2熱膨脹係數（CTEs）的解釋

許多文獻表明，高Tg代表良好的樹脂質量，但無鉛焊接並不總是如此。 通常，高Tg無疑會延遲樹脂快速熱膨脹之前的初始溫度，其整體熱膨脹因板的類型而异。 具有低Tg的板的整體熱膨脹也較小。 此外，在樹脂中加入一些填料也可以降低溫度。上圖2所示的三種樹脂資料的熱膨脹係數表明，資料C的Tg高於資料a，但資料C的熱膨脹指數在Tg後迅速上升，囙此整體熱膨脹比資料a大得多，也更差。以a和B為例，如果兩種資料在Tg前後的熱膨脹率相同，則Tg較高的資料B的總熱膨脹率仍將低於資料a。

還可以看出，三塊板的Tg為175攝氏度，但等z軸的熱膨脹係數不同，導致熱膨脹率不同。 圖3中三種資料的主要區別在於TG島-2ct後的熱膨脹係數不同。 總之，板的整體熱膨脹係數越低，將有助於提高通孔銅壁的可靠性。

事實上，情况並非總是如此！ 在我們繼續討論基質的其他重要性質之前，我們必須首先解釋TG和CTE之間的關係。 高Tg板的優點之一是z軸熱膨脹係數低，囙此整體熱膨脹低。 囙此，它可以延緩TG後快速熱膨脹的不利現象，並降低銅壁中的殘餘應力。

然而，在少數特殊情况下，高Tg板的CTE可能大於低Tg板。 囙此，在選擇板材時必須考慮CTE。 雖然每個板的Tg是相同的，但其CTE也可能不同。 當進行熱迴圈試驗時，通孔銅壁所感受到的應力也會有所不同。 圖3中的資料C同時具有高Tg和低CTE的雙重優點。