印刷电路板基材简介(CCL).ppt

线路板基材,前言,线路板指的是搭载电子元件的基板，而基材即组成线路板的基本材料，印制电路（PrintedCircuit）的制作均在基材上完成。基材主要指的是介电材料，其组成为树脂、增强材及填充剂。本文将对目前应用于电子工业的基材进行介绍，并对其制作工艺特点及可靠性要求作简单描述。最后对基材的发展趋势进行粗略描述，提供参考。,铜箔、树脂、增强材料及填充剂,铜箔,树脂,增强材料:玻璃布,填充剂,铜箔CopperFoil,铜箔的作用是用于形成线路。铜箔主要分两类：,电解铜箔EDFoil-ElectrodepositedFoil通过电镀的方法，在硫酸铜镀液环境下，巨型镀槽的阴阳极距离非常小，由不锈钢制作的阴极轮以高速旋转冲击镀液，加上高电流(600ASF)，在光滑的滚轮表面可撕出片状连续的铜箔，经后处理成为商品铜箔。朝滚轮的一面称光面（DrumSide），朝镀液的一面称毛面（MatteSide）。应用在绝大多数的线路板上，主要是硬板（RigidBoard）。,压延铜箔Wrought,RolledFoil使用热辗或冷煅的方法将铜锭加工为铜箔。应用在对弯曲、拉伸强度有高要求的制板上，主要是挠性板（Flexible）。,铜箔CopperFoil,铜箔的表面处理：BondingStage：传统的铜箔处理是在铜箔的毛面以高电流快速镀铜，形成瘤状，目的是增加表面积（Nodulization）；ThermalBarrierTreatment：然后再电镀一层黄铜或锌,目的是阻止高温时树脂内的Dicy攻击铜面生成水分及胺类，导致结合力下降；Stabilization：对两面进行铬化处理（Chromation），作用是抗氧化。另外，也有将铜箔反转，对光面进行粗化，然后压向基材，完成后的铜箔的棱线相对较低，有利于细线制作，同时表面铜箔的粗糙度较大更有利于与干膜/半固化片的结合力，称DSTF（DrumSideTreatedFoil）或RTF（ReverseTreatedFoil）。,铜箔CopperFoil,树脂Resin,树脂有两个作用，既作为介电材料，又作为粘合剂(BondingAgent)。树脂分为热固性(Thermosets)及热塑性(Thermoplastics)两种。热固性树脂提供优良的可操作性，而应用不同的树脂可获得不同的电气性能。制造线路板主要使用的是热固性树脂。热塑性树脂具有优异的电气性能，但处理热塑性材料需要特别的设备与参数，因此许多厂商均开发新的热固性材料用于代替热塑性材料。,树脂分类：1.应用于单/双面硬板及多层板主要包括酚醛树脂(Phenolic)、环氧树脂(Epoxy)、聚苯醚(PPO)、双顺丁烯二酸酰亚胺/三嗪树脂(BTTriazineand/orBismaleimide)、聚酰亚胺(Polyimide)、氰酸酯(CyanateEster)2.应用于高速/高频制板主要包括聚四氟乙烯(PTFE，PolyTetraFluoroEthylene,Teflon)、聚烯烃(Hydrocarbon)、聚脂(Polyester)及热塑树脂(Thermoplastics)*3.无卤素(HalogenFree)通过改变树脂体系，使用非溴基的树脂实现环保型基材。,树脂Resin,应用最广泛的是环氧树脂，液态时称A-Stage或Varnish，当浸渍在玻璃布等增强材上并快速烘干后称为B-Stage即半固化片，而再经高温压板固化后成为C-Stage的固化板材。通常在树脂分子中加入溴，达到阻燃的目的（阻燃是指不容易被点燃，而且点燃后能自己熄灭），通称FR-4。原先大量使用的双官能团环氧基材（Di-functional，白色）已逐渐被添加了四官能团环氧（Tetra-functional）的基材（Multi-functional）所取代。环氧树脂可组成多种基材，如玻璃布基板，Aramid基材，RCC等。,树脂Resin,树脂Resin,增强材Reinforcements,增强材指基材内作为骨架的材料，通常包括：纤维纸(CellulosePaper)玻璃毡(GlassFelt)玻璃布(WovenGlassFabric)无纺布(Non-WovenFiber)使用最广泛的是电子级玻璃布(E-Glass)，如通常称FR-4的基材。纤维纸基材及玻璃毡基材主要应用在低级线路板及部分特殊制板上。而无纺布基材由于具有良好的Laser加工性、较低的介电常数及质量轻等优点，逐渐被大量应用到HDI制板上。,ThermountE210GlassStyle1080GlassStyle7628,玻璃纤维的优点：1.高强度：比其他类型的纤维相比具有极高的强度。2.抗热/防火：玻璃属于无机物，不会燃烧。3.耐化学性：玻璃可抗大部分的化学品，也不会被细菌/昆虫攻击。4.防潮：玻璃并不吸水，在高湿度下仍然保持机械强度。5.热稳定性：玻璃熔点非常高，并具有很低的膨胀系数以及很高的传热系数。6.电性：绝缘性能极佳。,增强材Reinforcements,填充剂Fillers,填充剂的作用是为实现更高的电气性能要求或机械性能要求。例如：Nelco的N4000-7，利用填充剂提高Tg，降低CTE。Hitachi的MCF-6000E，增加填充剂提高填充性能。Rogers的RO4350，填充陶瓷(Ceramic)微粒控制介电常数。另外，通过加入其他填充剂作为阻燃剂替代卤素阻燃剂达到无卤素的要求。,基材分类及应用,一般，基材按树脂类型以及应用分类：,1.纸基酚醛板包括XPC、XXXPC、FR-1及FR-2，组成为酚醛树脂与纤维纸。2.CEM-1/CEM-3表面均使用玻璃布，CEM-1内芯是纤维纸，CEM-3内芯是玻璃毡。3.FR-4基材通指玻璃布基含浸环氧树脂的基材。4.高性能基材其他特殊的/非酚醛/非FR-4类树脂基材，也包括Aramid、RCC等新发展的材料。*5.无卤素基材使用无卤素树脂体系的基材，目前有应用在CEM-1、CEM-3及FR-4上。,1.纸基酚醛板包括XPC、XXXPC、FR-1及FR-2，组成为酚醛树脂与纤维纸。XPC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，遥控器等。FR-1的电气性、难燃性优于XPC，可达到UL94V-0级，可广泛使用于电压/电流稍高于XPC的电器，如彩电，家庭音响，洗衣机，吸尘机等。XXXPC与FR-2的电气性能相对更好，应用领域则大致相同。纸基板的制作工艺相对较简单，可使用热冲或冷冲的方法加工通孔，并可通过印刷银浆、碳墨的方法实现镀铜。,基材分类及应用,2.CEM-1/CEM-3表面均使用玻璃布，CEM-1内芯是纤维纸，CEM-3内芯是玻璃毡。应用在一些酚醛纸基板无法满足要求的场合，电气性能优于酚醛纸基板，而差于FR-4基材。例如显示器，低压电源，高级音响，游戏机，部分汽车电路等。CEM-1、CEM-3的制作工艺与FR-4相似，而在要求不高的时候甚至也可以使用冷冲的方法加工。,基材分类及应用,3.FR-4基材通指玻璃布基含浸环氧树脂的基材。白料：Di-functional，Tg约125C，电气性能、机械性能较弱，正逐渐被淘汰。黄料：Multi-functional，Tg约135C，广泛应用在民用电子设备上。HighTg：Tg超过145C以上的FR-4一般称为HighTg，其可靠性较普通Tg的材料高。改性FR-4：在常规FR-4树脂的基础上通过改变配方或添加填充剂的方法实现更高的电气性能、机械性能及可靠性。在考虑成本的前提下，可提供用于较高端的产品。另外，使用其他类型树脂的材料通常都混合一定比例的环氧树脂以改善加工性。,基材分类及应用,4.高性能基材其他特殊的/非酚醛/非FR-4类树脂基材，也包括Aramid、RCC等新发展的材料。主要指BT、PPO、Polyimide、CyanateEster、Hydrocarbon、Polyester、PTFE等高性能树脂构成的基材，通常此类基材加入Ceramic、Kaolin等陶瓷类填充剂。主要应用在军事或民用的通讯设备上。此类基材具有优异的电气性能、机械性能及高可靠性，但其加工性要比FR-4差。而Aramid及RCC随着HDI技术的发展，被广泛应用在Microvia的构成层上。,基材分类及应用,特性,电子材料的特性通常包括以下五方面：1.一般特性2.物理特性3.化学特性4.电气特性5.环境特性其中关键的特性包括：板料：抗剥强度、吸水率、耐热应力、难燃性、热膨胀系数、Tg、尺寸稳定性、介电常数、损耗正切等半固化片：储存期、树脂含量、树脂流量、凝胶时间、挥发份含量、Tg、介电常数、损耗正切等,1.FR-4几乎所有的基材制造商均生产FR-4基材。构成FR-4基材的主要是环氧树脂和玻璃布。几乎所有的线路板生产厂商都大量使用FR-4基材，其生产线的设计大多以FR-4为目标，因此许多基材均以FR-4为基准进行比较，来判断其特性、可靠性及加工性。,2.BT目前应用较广泛的BT基材包括Polyclad的GI-180、Nelco的N5000、Isola的G200等。树脂当中的“B”和“T”的比例能够随意地调整，当B：T=1：9时，BT的固化温度接近于FR-4；当其比例大于1：9时，其Tg将随之上升，可达到250C以上。BT基材一般呈棕黑色，硬度很高，由于树脂的浸润性较差，因此基材的席纹现象比较明显。与FR-4基材相比，BT的优点是Anti-CAF，具有良好的抗铜离子迁移能力，制板在恶劣的环境下仍然保持良好的电气性能。BT的介电常数比FR-4低。BT的应用主要是BGA载板，及部分低端通讯基站。,3.Getek/Megtron/N4000-13Getek为美国GE公司产品，而Megtron为日本松下电工获得Getek授权生产的产品。Getek与Megtron属于PPO+Epoxy型基材，具有较低的Dk及Df（0.012），Tg方面，由于PPO属于热塑性树脂，因此只有使用DMA才能测量，若使用DSC或TMA将无法得到确定的Tg值。而Nelco的N4000-13属于改性FR4，具有与Getek/Megtron同样的电气性能，而制作工艺较为简单及成本也低一些，可用于代替Getek和Megtron。Getek目前在研发升级产品GetekII，Dk/Df更低。Megtron有后续的产品MegtronII、MegtronIII及MegtronIV，应用于更高端产品。,4.RogersRO4000/Arlon25FRRogers的RO4000与Arlon的25FR为玻璃布基加陶瓷填充的聚脂基材。RO4000与25FR提供很低的介电常数（3.48/3.58）与正切损耗（0.004/0.0035），可应用在很多通讯板上。优点是良好的电气性能，其Dk/Df在很宽的频率范围内能够保持稳定。另外，尺寸稳定性非常好，其Tg能够达到240C以上，而RO4000由于Tg太高通常都无法测出Tg，因此耐热性能极高。同时，此基材使用在很多Hybrid制板上，作为RF单元与使用FR4的Digital单元整合在同一块板上。另外，可代替部分的PTFE制板，提供较优的制作特性及较低的成本。当然，由于其特殊应用领域以及能提供非PTFE基材难以实现的电气性能，因此其成本也比普通的基材高许多倍。,X-section-AfterThermalStress(RogersRo4000),SEMPhoto(RogersRO4000),5.GoreSpeedboardC/No-FlowPrepregSpeedboardC通常应用在Hybrid设计的制板上，作为粘合RF单元与Digital单元的桥梁。SpeedboardC的构成为ePTFE薄膜，其中含浸BT树脂。ePTFE是Gore公司的专利，成分是100%的PTFE，结构类似海棉。由于SpeedboardC能够提供良好的Z向树脂流动性以及控制X/Y方向的流胶，因此是Cavity制板的最佳选择，实现良好的Cavity外型。而稳定的ePTFE在压板后提供很好的厚度支撑/均匀性，而BT树脂能够添满内层线路空隙，因此能够保障制板的电气性能和可靠性。另外，SpeedboardC可以使用Laser加工出良好的Microvia孔型。同样，由于其特殊应用及属于专利产品，物料成本非常高昂。,ePTFE,Cavity,Microvia,6.RogersRO3000/TaconicTLC,RFseries/NelcoN9000/ArlonADseriesPTFE基材提供非常准确的Dk以及极低的LossTangent。,可靠性,针对基材的可靠性测试主要包括以下方面：1.Environmental（抗环境影响性）2.Mechanical/Physical（机械/物理性能）3.Electrical（电气性能）4.Chemical（抗化学性）5.Miscellaneous（其他相关要求）对应的是包含线路板的电子产品（最终用户）的可靠性要求。,CriticalTest目前针对基材的最严格的可靠性测试是耐热性能测试，包括：1.IRReflow2.ThermalShock/Stress3.ThermalCycling以及抗高温高湿测试：THB(ThermalHumidityBiasTest)另外，完成耐热性能测试后通常需要再进行ATC(AcceleratedThermalCycling)测试，并要求绝缘电阻的变化小于10%。,IRReflowTestIRReflow测试的条件一般是由最终客户指定，例如Motorola的Reflow条件：ConditionExposureAverageramp-uprate100C360-600seconds150Catleast180seconds183Catleast90secondsBetween230Cto235Catleast10secondsPeakTemp.235Cooldown(peakto50C)6C/secondTimefrom30Cto235CNogreaterthan360secondsReflowcycle10cycles事实上，仅有少数几种基材能够抵受10次以上的Reflow测试而无分层、白斑等缺陷。,ThermalShock/Stress&ThermalCyclingTest热冲击/热应力测试及热循环测试同样对基材有非常高的要求，而且测试的条件非常多，不同的标准组织、不同的客户有不同的要求。1.260C,10sec,5cycles,solderfloat2.288C,10sec,1cycle,solderfloat3.288C,10sec,6cycles,solderfloat4.AirtoAir,-55C125C,30min,100cycles5.LiquidtoLiquid,-55C125C,10mindwell/5minpeak/15sectransition,500cycles基材的性能优劣在完成测试后就能得到明显区分。因此，针对不同的产品设计/客户要求应该选择不同的物料。当然，性能越高的物料其价格就