汽车电子用高可靠性覆铜板的性能.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除汽车电子PCB用覆铜板的性能提高 特殊性能CCL的发展综述之二 摘要：随着PCB在应用市场领域的不断扩大，对所使用的基板材料性能提出了许多特殊的要求。本篇围绕着汽车电子产品用CCL话题，以松下电工公司此类CCL为研究的主要对象，综述它的可靠性确保、提高方面的技术新进展。关键词:热膨胀系数 覆铜板 印制电路板 Development of performance about PCB base materials used in automotive electron-Review of development about special CCL (2)ZHU DATONGAbstract: The market of PCB is enlarging, and demands more and more special performance to base materials used in PCB. In the paper, copper clad laminate used in automotive electron from Matsushita Electric Works was introduced. At the same, guarantee of reliabilities, development of technology were reviewed.Key words: coefficient of thermal expansion（CTE）; copper clad laminate（CCL）; Printed Circuit board（PCB）上篇曾经研究、讨论了汽车电子产品中用覆铜板（CCL）的高散热性的制造技术进展，本篇围绕着汽车电子产品用CCL话题，以松下电工公司的此类CCL为研究对象，综述一下它的可靠性性能的确保、提高方面的技术新进展。1汽车电子产品对PCB的电子安装可靠性提出了更严厉的要求当前汽车制造技术的进步非常明显的表现在它的更安全、更环保、更快捷便利实现方面。这三方面发展都密切需要在汽车上进一步的电子信息化，因此，电子产品在汽车上的应用也在迅速的扩大。例如在汽车的控制系统（变速器和动力转向等），过去都是以油压控制（即机械控制）的方式，而现今已经开始研究、应用ECU（Electric Control Unit）控制。并且这种ECU控制方式，还会将在汽车的其它驱动部位中得到多样化的更快普及和发展。从ECU搭载在汽车上的数量变化来看，今后还会有很大的增加。为了充分扩大小轿车内的空间，搭载ECU的空间被压缩得很小，加之它长时间运行在高温中（很多ECU是安装在发动机的周围），工作环境条件也非常严酷。为此，就使得用于ECU的PCB基板材料要具有“三高”的特性：高耐热性、高可靠性、适应高密度布线性。小轿车工作室内的长期环境温度一般在85100，在发动机部位长期环境温度高达到125150。汽车电子产品用PCB要达到高可靠性，需要通过较为苛刻的环境试验。其试验条件为：55150。在此条件下进行冷热循环试验，要求达到数千次的循环后无故障（短路、绝缘性破坏等）发生。以ECU为典型代表的汽车电子的PCB用CCL，在提高其可靠性的同时，还面临着保证高耐热性、适应高密度布线性的制约。因此解决CCL这一高可靠性课题的着眼点，主要是降低CCL的热膨胀系数（CTE）。具体讲，在汽车电子用CCL的CTE方面，更强调把握板的面方向（X、Y方向）CTE的降低，及板的厚度方向（Z方向）CTE的降低。而实际上，在解决此两个方向CTE的降低上，往往在采用的手段上会遇到“相克”的情况。因此，在满足高耐热性、高密度布线性的前提下，同时降低X、Y方向和Z方向的CTE，已成为当前CCL业需要攻克的一个难题。汽车电子用PCB可靠性与提出CCL性能的关系见图1。图1 汽车电子用PCB可靠性与提出CCL性能的关系2. 对汽车电子用CCL降低CTE的认识与研究21 CCL确保PCB可靠性所表现出的两个侧面松下电工公司很早就介入汽车电子用CCL的开发、应用研究工作，其中解决这类CCL降低热膨胀系数的问题上，一直是此类CCL产品开发中的重点。他们提出，提高汽车电子用CCL的可靠性，实际上主要达到两方面的可靠性：一方面，是用这种CCL制出的PCB需要确保装联元器件后的焊锡部位的电气连续可靠性；另一方面，用这种CCL制出的PCB需解决提高导通孔连接的可靠性。1实现附有焊锡部位的电气连续高可靠性，其中一个重要手段是使所用的PCB基板材料在面方向（X、Y方向）上的CTE要小。这是因为，一般电子元件的CTE要小于与基板材料的CTE。在PCB上装联元器件时，基板材料会受到高温的热冲击时，由于电子元器件与CCL在CTE上的差异增大，而产生热应力（见图2）。这种应力达到一定的限度后就会使焊锡间产生裂纹，造成断线、虚接等不良接合的现象。如果元器件与CCL两者的CTE相差较小，在受到热冲击时产生的热应力就小，焊锡接合部位所负荷的应力变小，这样就可以从确保电气连接的可靠性不下降。图2高温热冲击时产生的基板材料应力实现导通孔电气连接的高可靠性，主要是解决降低板的厚度方向（Z方向）CTE的问题。FR4覆铜板在Tg以上的温度条件下它的X、Y方向的膨胀、变形行为，由于树脂受到具有增强作用的玻纤布所钳制表现得变化不太明显（FR-4树脂体系中环氧树脂的CTE为60 7010-6，玻纤布的CTE为5610-6，作为环氧树脂与玻纤布复合体的CCL的X、Y方向CTE，由于环氧树脂热膨胀受到玻纤布对它的抑制作用，而降到1310-6左右）。而它的Z方向CTE，树脂形变受到的增强材料的制约很小，因此会表现出明显的增加。其增加幅度以构成CCL的树脂来讲：当它处于Tg以上的高弹态下的CTE，是处于Tg以下的玻璃态下的CTE的3至4倍。PCB在进行高温焊接、安装元器件的情况下，发生焊盘脱落、基板分层、金属化孔壁断裂等，都是主要受到来自沿着基板材料厚度方向的热膨胀，产生较大的具有的破坏性的应力而造成的。特别是在Tg 以上的板厚度方向CTE的变化。这样，基板材料的Tg以上的热膨胀系数（2）的降低，对确保PCB导通孔电气连接的高可靠性，就显得更为重要。22 降低CTE的工艺途径的讨论笔者认为，在降低CCL的CTE（无论是板的X、Y方向的CTE，还是板的Z方向的CTE）方面，解决问题的切入点，一般都是放在减少应力对CCL结构的破坏上。而采用的途径，主要分为两大类思路：一类是将出现的应力“变”小；还一类是使产生的应力得到缓和（即抑制它的扩展）。前者，一般采用加入填料、加强树脂对玻纤布的浸渍性、引入低热膨胀系数性的树脂等手段，去降低CCL的热膨胀、热变形的程度，缩小基板材料与元器件的CTE的差异，而使产生的应力减小。2 后者，是从降低树脂体系（注意，这里的“树脂体系”中包括固化剂部分）的模量，提高它的柔韧性着手。以上两种解决途径所要达到的目的是相同的，其不同的地方是，前者手段是“先法治人”，使产生的应力发生变化（向小的方面变化）；后者手段是“后法治人”，使产生的应力的扩展行为得到了缓和、抑制。秦国蜀郡太守李冰率众修建都江堰成就显著，在中外水利史上传为佳话。他在根治岷江水患不是像前人那样去“堵洪”而是采用了“分洪”，把汹涌的岷江分隔成外江和内江，外江排洪，内江通过宝瓶口流入成都的上千万亩平原，引水灌田、造福后代。尽管“治洪水”，与“治应力”，表面上看是风马牛不相及，但是实质上在解决问题的思路上有着非常的相似之处。关于通过树脂部分改性，对CCL增韧的贡献的研究，国内知名的复合材料研究专家陈平教授曾提出了对环氧树脂进行增韧改进的主要四条途径，3 4 即利用刚性无机填料、橡胶弹性体、热塑性树脂、热致性液晶聚合物（LCP）等对树脂体系进行“第二相来增韧改性”，以抑制裂纹的扩展（这一过程称为“裂纹钉锚机理”）； 用热塑性塑料连续贯穿于环氧树脂网络结构中；在交联网络中引入 “柔性段”， 在物理上形成两相结构；控制分子交联状态的不均匀性的效果，以形成有利于塑性变形的非均匀结构，从而实现树脂体系的增韧（即所谓“就地增韧（In situ toughening）”的技术途径。23 松下电工研发者有关降低CCL的CTE的解决思路在松下电工电子材料本部电子材料R&D中心工作的山口真魚先生，是该公司2006年推出的适于汽车电子用新型“低CTE-xyz基板材材料”的主要开发者。他在一篇文献中提出1 ：在这种CCL的开发中，运用了上述后一种降低CTE的途径，采用“使产生的应力得到缓和”思路，去解决降低CCL的CTE问题。以下是原文译自他的在这方面的阐述，从中可了解他的研发主要思想： “笔者在不降低CCL的面方向CTE的前提下，在CCL树脂体系中引入了挠性成分。所引入的挠性成分主要是模量偏低的树脂。与此同时，它的选择还需要注意满足以下的性能要求：具有优异的耐热性；不能造成厚度方向的CTE的增大； 具有阻燃性；有较高的可以减低模量的效果；较低的材料成本。”“引入了挠性树脂的成分，一般会带来几个难题需要解决：其一，是导至树脂Tg的下降，板的耐热性受到负面影响。其二，是往往是对降低面方向的CTE有效，对厚度方向的CTE降低不明显；其三，同时还面临着低成本性的实际问题。为此，引入的这种挠性成分，我们选择的是多层结构的低模量的有机微粒子。但它在性能上并不是万能的，当它的添加量较多时，使得树脂更易燃烧。一般的CCL的阻燃性是应该满足UL94标准中V-0级的要求，还需要添加适当量的氢氧化铝无机填料，以促使CCL的阻燃性提高。”“在上述的讨论中，为降低PCB的面方向CTE采用低模量的树脂体系。而它的低模量程度的把握，要考虑不能影响PCB厚度方向CTE增大，导至通孔可靠性下降的问题。一般的经验是，PCB厚度方向CTE，控制在5010-6以下，就可获得较好的通孔可靠性。因此为了达到这一厚度方向CTE的性能目标，需要添加一定量的无机填料。因为无机填料的加入将会使树脂体系的模量增大，所以在无机填料添加量上，要以达到厚度方向CTE在5010-6为标尺，将添加无机填料的量，控制在最低的限度。”23松下电工研发者有关降低CCL的CTE一篇以山口真魚先生为第一发明人的松下电工专利内容，5 很贴切、很详细的诠释了上述的山口真魚的降低CCL的CTE工艺思路。这篇低膨胀系数性CCL为内容的专利，主要提出了在树脂体系中加入了“包覆构造（国内还有的称为“微胶囊”构造）的、外壳树脂部分与环氧树脂可相溶的微粒子。”此专利5的列表中（见表1），列出了几个实施例的配方，来说明加入了包覆结构的有机微粒子对面方向的CTE降低的贡献，同时，运用添加无机填料技术，再进一步的降低厚度方向的CTE。表1特开2006-14397专利的试验配方举例及制成的CCL的CTE评价结果注：表1中的（1） 东都化成株式会社产，牌号YDB400；（2）大日本油墨株式会社产，牌号N775；（3）大日本油墨株式会社产，牌号D2090；（4）化成株式会社产，牌号AC-3832；（5）化成株式会社产，牌号AC-4030；（6）旭化成瓦克-硅株式会社产，牌号SLM445144；（7）化成株式会社产，牌号AC-3355；（8）東株式会社产，牌号E600；（9）株式会社产，牌号SO-C5；（10）新日铁化学株式会社产，牌号SN-190。3. 松下电工新开发的低CTE性CCL的主要性能评价近期，日本一份专业杂志发表了以山口真魚先生为作者之一的一篇介绍CCL新成果的文章。6 此文主要介绍了松下电工近期推出的汽车电子用高可靠性多层板基板材料的主要性能。文章中，用对比表的形式（见表2）表述，这种低CTE-xyz新开发的CCL的低模量的特性，同时，在板的CTE方面，表现出的良好性能值。这种具有低CTE特性的CCL，也使得制成的通孔在可靠性方面有很大的提高（见图3）。表2 低CTE-xyz新开发的CCL主要性能与一般FR-4对比试验项目试验方法处理条件低CTE-xyz新开发的CCL松下电工的常规FR-4（R-1766）热膨胀系数（CTE）（ppm/）TMA法纵方向横方向厚度方向9.511.54814.015.065弯曲强度（N/mm2）JIS C6481纵方向横方向480381490420弯曲模量（kN/cm2）JIS C6481纵方向横方向2040163023002100铜箔剥离强度（18m）（kN/m）JIS C6481常态1.11.6介电常数（1MHz）JIS C6481JIS C6481常态D-24/234.74.74.74.7介质损失角正切（1MHz）JIS C6481JIS C6481常态常态0.0210.0210.0150.015Tg（玻璃化温度）（）DMA法TMA法常态常态195170155140耐热性JIS C6481常态240240阻燃性UL94常态V-0V-0图3 通孔可靠性的评价4. 结束语为保证汽车在高速运行的快捷反应、高度安全，以及PCB能适应严酷的工作环境，需求汽车电子中的PCB要具有