无铅兼容覆铜板IPC标准的最新进展

无铅兼容覆铜板IPC标准的最新进展广东生益科技股份有限公司 蔡巧儿摘要: 本文介绍了无铅兼容覆铜板IPC标准的进展情况，并对无铅兼容覆铜板的成分要求及各特性参数进行了初步的讨论。关键词：无铅兼容覆铜板 IPC标准 进展 成分 特性参数一前言欧盟两个指令（WEEE和ROHS）将于2006年7月1日正式实施，全球电子业将进入无铅时代。目前最有代表性的无铅焊料Sn/Ag/Cu（SAC），其熔点为217，比传统锡铅焊料约高34。为了获得良好的焊接，对于SAC焊料，焊峰温度达到260。这将对PCB用基材-覆铜板的耐热性提出更高的要求。美国IPC标准一直以紧跟技术发展而获得全球电子行业的公认，这次IPC又率先提出了无铅兼容FR-4的标准草案，并在全球范围内征求意见和讨论。二标准提出时机和现状在2004年10召开的IPCwork2004基材工作组标准会议上，美国Sun Microsystems（美国Sun 微系统公司：主要生产SUN系列工作站和网络产品, 是JAVA语言的创始者祝大同注）提交报告要求制定用于无铅组装的基材规范。基于他们及其OEM的测试数据，报告指出当前FR-4规范IPC-4101/21（普通Tg FR-4）和IPC-4101/24（高Tg FR-4）不能满足无铅工艺的要求。会上，美国NEMI组织（National Electronics Manufacturing Initiatives）也对无铅焊接用基材提出了相似的要求。另外，Cookson电子/Polyclad层压板公司也提出了同样的情况。在此背景下，无铅兼容FR-4的标准草案第一稿诞生了。由于此标准草案是基于某公司产品的数据，故只反映了某款产品的性能参数。为了给此草案冠以“无铅”FR-4标准的名义，会上还提议在IPC-4101B各规格单中增加关键词，列出产品的应用范围和特点，供读者选择材料时参考。根据各方意见修改后，又于2005年1月发布了无铅兼容FR-4标准草案的第二稿，且并入IPC-4101B草案第四稿中。在IPC EXPO2005基材工作组会议上，无铅兼容FR-4标准草案-2成为讨论的焦点。参会者主要是美国著名的CCL厂家、实验室和IBM等终端用户。生益科技作为IPC基材工作组的成员，也参加了此次会议。会上讨论了目前无铅兼容FR-4的现有水平和试验数据，对热裂解温度和T288、T300等指标提出了建议。最近IPC又提出了第三稿和层压板材料热裂解温度测试方法的提案。热裂解温度（Td）是“无铅”层压板材料的重要性能指标，但IPC-TM-650中还没有相应的方法。IPC基材工作组中又设立了一个专项工作组，美国Sun Microsystems的Mr. Karl Sauter是该工作组的组长，负责建立此测试方法。2005年6月1日该工作组还启动了一个CCL热裂解温度循环测试计划，目的在于建立Td测试方法和确定无铅兼容板材的Td值。测试样品包括Nelco4000-6和4000-11、Polyclad 370HR和370Turbo及其140Tg Dicy-Cured板材、ISOLA 410、Matsushita 1755、Hitachi 679和IBM OEM的5个样品，这些样品均送至以下实验室：Nelco、Polyclad、Isola、Dow Chemical、Matsushita、Hitachi和Rockwell-Collins进行测试，计划于2005年10月完成循环测试，11月提交建立无铅兼容板材的Td值报告。到目前为止，IPC还未制定用于无铅工艺的CEM-3、CEM-1等产品标准。三要求及测试方法1草案中，规定了无铅兼容FR-4的成分要求，并对其耐热性提出了多项新的要求，包括热裂解温度、Z轴CTE、T260和T288等项目，详细见表1。表1 IPC无铅兼容FR-4新要求项目IPC标准草案-1草案-2草案-3IPC-4101/99IPC-4101/101树脂体系主体：多官能环氧树脂，次要：改性环氧或非环氧固化剂Non-Dicy阻燃机理溴溴溴/符合RoHs溴/符合RoHs填料有或没有无机填料关键词-无铅FR-4；耐CAF性；高裂解温度无铅FR-4；耐CAF性；高裂解温度；高可靠性FR-4；低Z轴CTE玻璃化转变温度()最小170最小155150-200110-150UL最大操作温度()-最小130吸水率(%)0.80.80.50.5阻燃性最低V-1最低V-1最低V-0最低V-0热裂解温度(失重5%，)330340330310Z轴1 (PPM/)75 60 60 60 CTE2(PPM/)300300 300 300 *50-260(%)3.53.53.54.0T260(分钟)-303030T288(分钟)301555T300(分钟)302供需双方商定供需双方商定T320(分钟)10-耐CAF性-正在制定供需双方商定供需双方商定*1. Z轴CTE试样最小厚度是1.5mm。2. 其它指标要求是基于层压板厚度0.50mm。2测试方法（1）热膨胀系数CTE草案中规定CTE的测试方法是采用IPC-TM-650中的方法2.4.24。该方法是采用热机械分析法（TMA）。试样应除去铜箔，测试前应在1052下烘2小时，并放在干燥器中冷却至室温。以10/min的升温速率从室温升至260，记录试样随温度上升而引起的Z轴方向的尺寸变化，然后分别计算Tg前（1）、Tg后（2）和总膨胀百分比（50-260）。（2）热分层时间（T260/T288/T300）草案中规定T260/T288/T300的测试方法是采用IPC-TM-650中的方法2.4.24.1。该方法是采用热机械分析法（TMA）。测试前试样应在1052下烘2小时，并放在干燥器中冷却至室温。以10/min的升温速率从室温升至260（288或300），然后保持恒温，记录试样分层的时间。（3）热裂解温度(Td) 草案中热裂解温度的测试方法一栏显示“正在制定”。热裂解温度测试方法提案是采用热重分析法(TGA)。将未覆箔厚度为1.5mm 结构为87628的层压板切成尺寸约为6.356.35mm的方形试样，试样最低重量是30mg。测试前试样应在1102下烘24小时，并放在干燥器中冷却至室温。试验应在干燥氮气氛围下进行测试，氮气流量为55cc/min。以10/min的升温速率从室温升至550，记录试样随温度上升重量损失百分比，报告重量损失5%时的温度。四讨论及思考IPC无铅兼容FR-4标准草案的提出，引起了全球CCL厂家及其上下游企业的强烈反响，各厂家对此看法不一。在这里对草案中成分要求及各性能指标进行初步的讨论。1草案中规定固化剂是Non-Dicy。Dicy作为覆铜板的固化剂已使用几十年，具有优秀的综合使用效果。但有研究表明，Dicy-Cured层压板热裂解温度相对较低、热分层时间（T260/T288）较低，不能承受多次无铅再流焊的热应力，易出现分层、起泡。但规定固化剂是Non-Dicy，太绝对了，完全排除了Dicy的使用。且与其它规格单不一致，其它规格单并没有规定固化剂。还有重要的一条：制定标准的原则应重点关注产品的最终性能，而不应过多规定工艺过程参数，这样会限制技术的发展。对是否应规定固化体系是Non-Dicy，业界存在不同的看法。2第3草案中规定阻燃机理应为溴/符合RoHS。从这点可看出IPC对无卤化的立场。早在2003年4月IPC就发布了IPC-WP/TR-584关于印制板和组装用无卤材料的白皮书和技术报告。IPC认为目前“无卤”只是一个市场概念，没有数据表明目前用于印制板的含卤阻燃剂对环境或人类健康造成重大的危害。除非有确凿证据表明含卤材料会危害环境和人类健康，否则IPC不赞成禁用含卤阻燃剂。IPC将对基材中卤素含量的分析和最大氯、溴含量的定义进行标准化，以提供给业界。这样做的目的是在供应链中标准化和一致性，而不能认为是IPC对这些材料的认可。IPC对溴作为阻燃元素，仍然给予正面的肯定，但必须符合RoHS指令，即禁用多溴联苯（PBB）和多溴二苯醚（PBDE）。因此无卤化和符合RoHS指令是两个概念，前者主要受市场推动，后者是受法令推动，必须执行的。但WEEE指令中规定含有卤素阻燃剂的元件在处理和回收前应从其它电子电气废弃物中隔离开来，一些电子电气OEM基于回收成本的考虑，会采用无卤材料。但这些规定对含卤材料的使用到底有多大的约束力，现在还不是很明朗。3第1份草案中，热裂解温度(Td)定为最低330，第2份草案中，Td改为340，第3份草案Td又改为330。这主要原因是热裂解温度测试方法没有定下来，各厂家的Td值没有可比性。IPC启动的CCL热裂解温度循环测试计划，就是将热裂解温度测试方法标准化，并按此方法对各厂家的产品进行循环测试，以确定合理的Td值。有厂家认为，Td不宜定得太高，Td高的材料的脆性较高，加工性变差。因此制定合理的Td值很重要，一方面满足无铅焊接的高温要求，另一面兼顾基材的其它性能和加工性。4.热分层时间（T260/T288）由于无铅组装的峰焊温度达到260，使得T260/T288变成了很重要的性能参数。第1稿中T288/T300指标定得很高，只反映了某款产品的性能参数，不具有代表性。后来根据各方的意见、现有同类产品的水平，对T260/T288的要求作出相应的调整。传统的高Tg板材的T260为5-7分钟，它与有铅焊接兼容得很好。无铅焊接的焊接温度提高20-25，故T288为4-5分钟已经可以满足无铅焊接的要求。5Z轴CTE 由于无铅焊料的焊接温度的升高，基材的热膨胀系数（特别是Z-轴）就变得更重要了。如果Z轴CTE大，施加于镀通孔的应力就大，就容易造成镀通孔孔壁金属镀层断裂。因此，对于无铅兼容FR-4有必要建立Z轴CTE的要求。6第3草案中将吸水率指标由原来小于0.8%改为小于0.5%。基材的吸水率会影响板材的耐热性和可靠性，特别是在无铅焊接中。这是因为基材在高温下发生层间分离的其中一个因素，是板的绝缘层间含有低分子物（包括水）。它们在高温条件下会变成气态而蒸发，从而破坏层间粘接力，引起分层起泡。无铅焊料的焊接温度升高，水分在基材内由于温度的升高，气化而形成的水蒸气压更高，故水分对无铅焊接中板材可靠性影响更大。7将无铅兼容FR-4按Tg分成两个规格单是很有必要的，那些低层数、可靠性要求不高的PCB可采用低Tg板材。有研究表明，低Tg板材也可能是高Td，通过添加填料或其它技术，低Tg板材也可获得低CTE，故低Tg板材也可以与无铅工艺兼容。8阻燃性 第3稿草案中将阻燃性由V-1级改为V-0级。这是因为在IPC EXPO2005 UL工作组会议上，基于安全原因，UL和IPC基材工作组达成一致：FR-4的阻燃性等级最低为94