PCB板材质介绍

PCB板材质介绍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Resin3.1.1.1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