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板材變遷與爆板研究台灣電路板協會資深技術顧問白蓉生2010.05.01初編2010.06.03二編2010.06.16三編2010.07.01四編2010.07.05五編2010.07.12六編2010.08.02七編2010.08.30八編2010.11.01九編201011.17十編2011.01.03十一編2011.01.10十二編1（只針對硬質多層材而言，暫不涉及軟板與載板）大綱21.基材板的成本與市場現況………………...P.03-P.112.基材板結構與LF/HF之演變………...........P.12-P.183.板材耐熱性（適應LF焊接）的說明..........P.19-P.344.板材阻燃（符合UL94之V-0）之原理…...P.35-P.495.爆板真因之探討與預防……………….......P.50-P.746.結論………………………………………..P.75板材結構與功用、樹脂阻燃性與填充粉料之角色-ElectricCircuit-Signalline-VCC-Grounding-HeatDissipation(duetohighthermalconductivity)•傳統FR-4以Epoxy為主，LF/HF則採用多種樹脂與不同固化劑之搭配，使得成本上升，LF約20%，HF約45%•Fillers應先做耦合處理以提高分散性與密著性•無鹵板材易脆易裂且吸水率變大厚大板容易發生CAF，須改採開纖布扁纖布並強化含浸均勻之物性3原物料各項成本比重與對基材板成本的影響經驗值：原物料上漲20%者，CCL將上漲10-12%，而PCB亦應隨之上漲2-3%。或CCL上漲20%者，PCB需上漲5%。4特殊樹脂：為了達到某些特殊功能而必須使用基本Epoxy與多功能Epoxy以外，還要加入其他樹脂(如PPO、CE等)而共聚，其單價將會更貴。銅價：根據LME報價目前銅價為$12／Kg(2011年1月報價)項目原物料成本之比重(不含管銷)對基板成本影響之舉例0.041/10.621/1銅箔金屬銅73%能源19%化學品，人力8%80%31%玻纖布玻纖紗67%能源7%化學品，人力26%11%34%環氧樹脂(含其他樹脂)樹脂單體55%加速劑(2-MI)30%固化劑／溶劑5%能源，人力10%9%35%5各種板類之互連密度與層數以及價格的比較層數互連密度持續增層板SBU(即HDI)是以μ-via與內通孔進行互連，而其他板則仍以PTH為主但也漸使用μ-via做為外層互連。尤以高單價大型系統多層板為甚，將成為PCB業技術與品質以及可靠度的象徵。6•2009年全球PCB產值為346.5億美元，較2008年衰退15.6%•2010年全球景氣復甦，帶動PCB產業全球產值達到375億美元，之後逐年成長10%左右資料來源：工研院IEK(2010/6)Copyright2010ITRI工業技術研究院7資料來源：工研院IEK(2010/6)Copyright2010ITRI工業技術研究院•2009年，華碩與宏碁…等國內廠商領先全球推出低價迷你電腦(MiniNotebookPC)，使得2009年全球PC市場量並未衰退反而成長5%，市場規模達到3.06億台•2012年，行動電腦將佔所有PC的50%以上的比重，成為市場主流PC種類•2014年，行動電腦將達3.8億台的市場規模，將佔所有PC市場量的63.1%以上8資料來源：工研院IEK(2010/6)Copyright2010ITRI工業技術研究院•2010年，全球手機市場規模可以達到13.4億支，較2009年成長11%，後續逐年亦有5~7%的成長幅度•2014年，智慧型手機市場銷售將達7.24億支規模，高階智慧型手機佔全部智慧型手機的54%，而入門級智慧型手機則為46%9資料來源：工研院IEK(2010/6)Copyright2010ITRI工業技術研究院•2009年全球銅箔基板市場規模達到62.75億美元，相較於2008年衰退9.9%•展望未來，下游需求量放大，2010年全球銅箔基板產值可望在量增價升中回復正成長，達到69.2億美元，年成長10.3%百萬美元10資料來源：工研院IEK(2010/6)Copyright2010ITRI工業技術研究院•針對佔全體市場的七成以上的CCL，分析其近年來全球帄均單價走勢，以主流的玻纖環氧基板而言，大約為USD18/m2上下•包含載板用樹脂基板、高頻基板等高機能基板的價位則落在USD90~109/m2之間11資料來源：工研院IEK(2010/6)Copyright2010ITRI工業技術研究院•建滔(KB)、南亞及松下電工為全球前三大CCL廠；NOK、新日鐵及住友金屬為全球前三大軟材FCCL廠•以集團產能規模龐大優勢快速竄升的港商建滔，目前已為全球第一大CCL業者，2009年市占率約13%•NOK為全球3LFCCL最大供應商，也是全球第一大FPC廠商；新日鐵主要以生產軟板用2LFCCL為主；至於住友金屬則以供應COF用2LFCCL為主附註說明:1.市占率以產值計算；2.括號內文字表示廠商資金國別GlycidyletherofBPA基礎環氧樹脂TBBPA-AdvancedResin阻燃性基礎環氧樹脂n,m0樹脂廠將基礎Epoxy做完溴化後賣給CCL廠溴化環氧樹脂雖已具阻燃性但因C-Br鍵易斷致使耐熱性不佳•V-O級傳統FR-4耐熱性不佳的主因是C-Br共價鍵易斷，再加上固化劑Dicy中N原子的極性吸水助虐所致，於是Br與Dicy兩者猶如狼狽為奸，造成無鉛焊接中較厚大板類之容易爆板BrBrBrBr12R1HCCH2O+HNCNH2NHCNCHR1CH2OHNHCNH2CNEpoxyResinCuringAgentPolymerSegmentDicyCuringDicy的確已參加Epoxy之聚合反應基礎環氧樹脂之單體與常用固化劑舉例(BPA)BisphenolAEpichrolohydrin(ECH)(環氧氯丙烷)(雙酚A)(丙二酚)雙胺固化劑腈線性酚醛樹脂也可當成固化劑雙腈胺固化劑PhenolicNovolac線性酚醛樹脂也可當成無鉛化板材之固化劑雙腈胺固化劑13•PN(PhenolicNovolac)既可做為固化劑，又可與Epoxy反應成PNE而充當部份主樹脂。但因架橋率不佳故需大幅增加用量（25%bywt以上）以致無鉛化之成本上升約20%。且PN係XY片狀結構故脆性變大而耐熱性亦未能盡善，但阻燃性則優於Epoxy。還需加入其他成份與Fillers以協同阻燃與耐熱。•近年來又出現含氮式酚醛樹脂，與BZ合用時可取得較好的阻燃耐熱與力學之韌度。14燃燒三條件：可燃物，氧氣與熱能，阻燃性(須通過UL-94之V-0考試)1.傳統板材採用Br22~15%w/w2.無鉛板材添加Fillers減少用Br3.無鹵板材改用有機磷或氮與Fillers基材板的阻燃耐熱與物性耐熱性或熱穩定性(須LF焊接不爆板)1.傳統板採Br+Dicy不耐熱厚板易爆2.無鉛採PN+Br+Filler可耐熱但脆化3.無鹵採有機磷+Dicy或富N類＋Fillers可耐熱但也變脆，不宜高Tg膠片含浸之半固化熱壓MLB之全固化液態樹脂單體聚合反應1.熱量(溫度/時間)2.固化劑傳統Dicy無鉛PN無鹵Dicy/ATN/BZ/SMA3.多功能樹脂(提高Tg)注意：Dicy具有極性及親水性對CAF不利熟化之完工板(△Tg應2℃以下)15Elongation(%)TensileStress(N/mm2)Toughness韌性(兼具剛性與塑性)完工板之物性或機械性質Stiffness剛性(彈性模量高)Plastic塑性(超出彈性範圍)Brittleness脆性(高Tg者明顯脆性)Flexibility撓性(彈性模量低)1.Tg高者模量大剛性強彎翹小，但脆性也變大2.爆板與α2/Z-CTE關係大與內應力及水氣也有關3.添加Fillers後可減少爆板，但脆性增大加工困難4.Toughness又稱為FractureEnergy破壞能量5.增強板材的韌度已成為配方的目標板材之應力應變曲線從應力應變曲線可知，純就高分子材料本身而言(暫不考慮水氣及CTE差異)，只有韌度良好者才能減少爆板(下左圖為一般熱塑型曲線，右為熱固型曲線)OA為Hook’sLow；θ角大則剛性強；θ角小表示撓性好；IPC6012只談抗拉強度σ與延伸率ε；藍色面積即為韌度（Toughness）是耐爆板的重要指標。σε極限抗拉強度UltimateStrengthAAOOStress()σσ(ε)Strain17取材自IPC-2006S10-118多次無鉛焊接造成爆板的主因之一是板材α2的Z-CTE太大所致，厚大系統板類為了長期可靠度起見，業界習慣一向採用高單價HighTg樹脂之板材，以保固系統整機類的長期安全。•所謂無鉛化板材LF之FR-4，是將傳統FR-4極性較大的固化劑Dicy改為PN，減少與「易斷鍵的Br」兩者狼狽為奸所引發之爆板，進而得以改善耐熱性。去Dicy雖可降低極性減少吸水而抑制爆板，但對銅皮的附著力却變差。LF配方中仍可保留Br之重量比在15-20%繼續做為阻燃劑。•LF化FR-4中添加無機SiO2Fillers之重量比約25%以上(封裝用EMC更加到70%)，可於LF焊接強熱之α2中降低其Z-CTE而得以減少爆板。•所謂HF化FR-4之板材，則是將樹脂阻燃劑的Br徹底排除而改用有機磷或氮素，同時另外摻混重量比25%以上的Al(OH)3與SiO2以協助阻燃。但含磷後吸水率亦相對增多，且板材也會變脆。主樹脂亦可另摻混PN、PPO(PPE)、CE、或BZ等非Epoxy類，使能改善環氧樹脂的韌度與電性。•此兩種非傳統板材之脆性均變大且增重又變硬而不利鑽孔。HF板材不但變脆且成本更貴約30-50%，幸好HF已可取代LF而得用於無鉛焊接。•HF板材之固化劑亦與LF者不同，除又能恢復少許Dicy以外尚可另採富氮式ATN或BZ或SMA等固化劑協同完成固化(Hardening)與降低Dk/Df。LF/HF兩類全新板材在IPC-4101中的規格單編號也不同。無鉛化與無鹵化板材之異同19LF以規格單99及126等高階有粉料者較常用，HF則以128者較常用。IPC-4101C（2009.8）所列LF/HF之板材：2021抗撕強度體積電阻率表面電阻率吸水率介質潰電壓IPC-4101C規格書舉例22容電率相對容電率DisspationFactor,Df介質常數損失正切損失因素散失因素DielectricConstant,Dk抗撓強度高溫抗撓強度耐電弧性全新者為回焊絕緣材料抗電強度阻燃性玻璃態轉換溫度Tg熱裂解溫度TdZ軸熱脹率耐熱裂時間指抗CAF漂錫為傳統法2.4.13.12.6.27熱應力試驗抗撕強度體積電阻率表面電阻率吸水率介質潰電壓容電率.相對容電率DisspationFactor,Df介質常數損失正切損失因素散失因素DielectricConstant,Dk23IPC-4101C規格書舉例24高溫抗撓強度耐電弧性全新者為回焊絕緣材料抗電強度阻燃性玻璃態轉換溫度Tg熱裂解溫度TdZ軸熱脹率耐熱裂時間抗CAF抗撓強度漂錫為傳統法2.4.13.12.6.27熱應力試驗鹵素含量上限ChemicalstructureofPPEPN-CE25取材自IPC-2006S07-2BPA-CE具主體交聯式多功能環氧樹脂CNE(CresolNovolacEpoxy)不同板材多項特性之相互比較時，可採雷達圖逐一進行對比，圖形面積愈大者總體性能愈好傳統FR-4與各種高階板材其各種特性的比較TetnafunctionalEpoxy26傳統FR-4與四種高階板材其多項功能的比較高Tg板材添加粉料的板材無鉛化板材無鹵化板材•高Tg板材因已加入各類苯環式的”多功能環氧樹脂”，故耐熱性較好剛性較強(彎翹少)，且α2的Z-CTE較小有利於厚板的通孔可靠度。由於單價較貴故只宜用於封裝載板與厚大單板或背板，而不宜於手機與NB板以及一般單板。且高Tg者脆性變大韌性變差也仍然會爆板，但其IST/TC