PCB專業知識第二講PCB用基板材料 程杰業務經理 市場部方東煒技術服務工程師 工藝部 雙面PCB用基材組成雙面覆銅板單面PCB用基材組成單面覆銅板多層PCB用基材組成銅箔半固化片芯板 銅箔半固化片覆銅板半固片銅箔 覆銅板 半固化片 覆銅板生產流程 上膠機 壓機 覆銅板主要生產設備 生益科技自動剪切線 生益CCL自動分發線 生益小板自動開料機 半固化片在多層電路板層壓時使用的半固化片 是覆銅板在制作過程中的半成品 在環氧玻纖布覆銅板生產過程中 玻纖布經上膠機上膠并烘干至 B 階 B 階是指高分子物已經相當部分關聯 但此時物料仍然處于可溶 可熔狀態 此種半成品俗稱黏結片 它有兩種用途 一是直接用于壓制覆銅板 通常稱為黏結片 另一種直接作為商品出售 供應印制板廠 該片用于多層板的壓合 通常稱為半固化片 二者的英文名均為prepreg 它們的生產過程是一樣的 半固化片 半固化片生產車間 PCB用基材的分類 1 按增強材料不同 最常用的分類方法 紙基板 FR 1 FR 2 FR 3 環氧玻纖布基板 FR 4 FR 5 復合基板 CEM 1 CEM 3 HDI板材 RCC 特殊基材 金屬類基材 陶瓷類基材 熱塑性基材等 2 按樹脂不同來分酚酫樹脂板環氧樹脂板聚脂樹脂板BT樹脂板PI樹脂板3 按阻燃性能來分阻燃型 UL94 VO UL94 V1 非阻燃型 UL94 HB級 環氧玻纖布基板 FR 4 FR 5 1 環氧玻纖布覆銅板強度高 耐熱性好 介電性好 基板通孔可金屬化 實現雙面和多層印刷層與層間的電路導通 環氧玻纖布覆銅板是覆銅板所有品質中用途最廣 用量最大的一類 廣泛用于移動通訊 數字電視 衛星 雷達等產品中 在全世界各類覆銅板中 紙基覆銅板和環氧玻纖布覆銅板約占92 2 在NEMA標準中 環氧玻纖布覆銅板有四種型號 G10 不組燃 G11 保留熱強度 不阻燃 FR 4 阻燃 FR 5 保留熱強度 阻燃 目前環氧玻纖布覆銅板中 FR 4板用量占90 以上 它已經發展成為可適用于不同用途環氧玻纖布覆銅板的總稱 環氧玻纖布基板主要組成 E型玻纖布 GlassFiberPaper 型號7628 2116 1080 3313 1500 106等環氧樹脂 Resin 雙官能團樹脂 多官能團樹脂 銅箔 Copper 電解銅箔 1 3OZ 1 2OZ 10Z 20Z 30Z 50Z 壓延銅箔 主要應用在繞性覆銅板上 固化劑DICYNOVOLAC 玻璃布 玻璃布常見的半固化片規格 樹脂基板材料生產過程中 高分子樹脂 PolymerResin 是重要的原料之一 根據不同類型的基板要求 可以采用不同的樹脂 常用的有 酚酫樹脂 環氧樹脂 三聚氰胺甲醛樹脂 聚酯樹脂以及一些特殊樹脂如PI PTFE BT PPE 銅箔按照銅箔的不同制法可分為壓延銅箔和電解銅箔兩大類 1 壓延銅箔是將銅板經過多次重復輥軋而制成的原箔 也叫毛箔 根據要求進行粗化處理 由于壓延加工工藝的限制 其寬度很難滿足剛性覆銅板的要求 所以在剛性覆銅板上使用極少 由于壓延銅箔耐折性和彈性系數大于電解銅箔 故適于柔性覆銅箔上 2 電解銅箔是將銅先溶解制成溶液 再在專用的電解設備中將硫酸銅電解液在直流電的作用下 電沉積而制成銅箔 然后根據要求對原箔進行表面處理 耐熱層處理和防氧化等一系列的表面處理 復合基板 compositeepoxymaterial 面料和芯料由不同的增強材料構成的剛性覆銅板 稱為復合基覆銅板 這類板主要是CEM系列覆銅板 其中CEM 1 環氧紙基芯料 和CEM 3 環氧玻璃無紡布芯料 是CEM中兩個重要的品種 具有優異的機械加工性 適合沖孔工藝 由于增強材料的限制 一般板材最薄厚度為0 6mm 最厚為2 0mm 填料的不同可以使得基材有不同功能 如適合LED用的白板 黑板 家電行業用的高CTI板等等 CEM 1CEM 1覆銅板的結構 由兩種不同的基材組成 即面料是玻纖布 芯料是紙或玻璃紙 樹脂均是環氧樹脂 產品以單面覆銅板為主 CEM 1覆銅板的特點 產品的主要性能優于紙基覆銅板 具有優異的機械加工性 成本低于玻纖覆銅板 CEM 3CEM 3是性能水平 價格介于CEM 1和FR 4之間的復合型覆銅板層壓板 這種板材用浸漬環氧樹脂的玻纖布作板面 環氧樹脂玻纖紙作芯料 單面或雙面覆蓋銅箔后熱壓而成 復合基板CEM增強材料料玻璃紙或纖維紙CEM 3玻璃紙CEM 1纖維紙玻璃布7628為主要填料氫氧化鋁 滑石粉等等 玻纖紙 復合基板結構 CCL厚度分布范圍 FR 4Min 0 05mmtoMax 3 2mm CEM 3Min 0 6mmtoMax 1 6mm 積層電路板板材 覆銅箔樹脂RCC 覆銅箔樹脂RCC定義 RCC是在極薄的電解銅箔 厚度一般不超過18um 的粗化面上精密涂覆上一層或兩層特殊的環氧樹脂或其他高性能樹脂 樹脂厚度一般60 80um 經烘箱干燥脫去溶劑 樹脂半固片達到B階形成的 RCC在HDI多層板的制作過程中 取代傳統的黏結片與銅箔的作用 作為絕緣介質的導電層 可以采用非機械鉆孔技術 通常為激光成孔等新技術 形成微孔 達到電氣連通 從而實現印制板的高密度化 積層電路板板材 覆銅箔樹脂RCC 覆銅箔樹脂RCCRCC的組成 RCC是在超薄銅箔的粗化面上涂覆一層能滿足特定性能要求的高性能樹脂組合物 然后經烘箱干燥半固化 在銅箔的粗化面上形成一層厚度均勻的樹脂而構成 結構圖如下 樹脂層30 100um銅箔一般9 12 18um 生益普通FR 4 S1141 性能指標 基材常見的性能指標 Tg溫度玻璃化轉變溫度 Tg 目前FR 4板的Tg值一般在130 140度 而在印制板制程中 有幾個工序的問題會超過此范圍 對制品的加工效果及最終狀態會產生一定的影響 因此 提高Tg是提高FR 4耐熱性的一個主要方法 其中一個重要手段就是提高固化體系的關聯密度或在樹脂配方中增加芳香基的含量 在一般FR 4樹脂配方中 引入部分三官能團及多功能團的環氧樹脂或是引入部分酚酫型環氧樹脂 把Tg值提高到160 200度左右 基材常見的性能指標 介電常數DK介電常數隨著電子技術的迅速發展 信息處理和信息傳播速度提高 為了擴大通訊通道 使用頻率向高頻領域轉移 它要求基板材料具有較低的介電常數e和低介電損耗正切tg 只有降低e才能獲得高的信號傳播速度 也只有降低tg 才能減少信號傳播損失 關于介電常數e和介電損耗正切tg和傳播速度 傳播損失的關系詳見特殊板材 PTFE一章 基材常見的性能指標 熱膨脹系數熱膨脹系數 CTE 隨著印制板精密化 多層化以及BGA CSP等技術的發展 對覆銅板尺寸的穩定性提出了更高的要求 覆銅板的尺寸穩定性雖然和生產工藝有關 但主要還是取決于構成覆銅板的三種原材料 樹脂 增強材料 銅箔 通常采取的方法是 1 對樹脂進行改性 如改性環氧樹脂 2 降低樹脂的含量比例 但這樣會降低基板的電絕緣性能和化學性能 銅箔對覆銅板的尺寸穩定性影響比較小 TMA曲線圖 基材常見的性能指標 UV阻擋性能UV阻擋性能今年來 在電路板制作過程中 隨著光敏阻焊劑的推廣使用 為了避免兩面相互影響產生重影 要求所有基板必須具有屏蔽UV的功能 阻擋紫外光透過的方法很多 一般可以對玻纖布和環氧樹脂中一種或兩種進行改性 如使用具有UV BLOCK和自動化光學檢測功能的環氧樹脂 幾種高性能板材耐CAF板材無鹵素板材ROHS標準和符合ROHS標準板材聚四氟乙烯 PTFE PPE玻纖布覆銅板BT 高性能板材 耐CAF板材耐CAF板材隨著電子工業的飛速發展 電子產品輕 薄 短 小化 PCB的孔間距和線間距就會變的越來越小 線路也越來越細密 這樣一來PCB的耐離子遷移性能就變的越來越重視 離子遷移 ConductiveAnodicFilament簡稱CAF 最先是由貝爾實驗室的研究人員于1955年發現的 它是指金屬離子在電場的作用下在非金屬介質中發生的電遷移化學反應 從而在電路的陽極 陰極間形成一個導電通道而導致電路短路 為什么會提出耐離子遷移性 隨著電子產品的多功能化與輕薄小型化 使得線路板的線路與孔越來越細密 絕緣距離更加短小 這對絕緣基材的絕緣性能要求更高 特別是在潮濕環境下 由于基材的吸潮性 玻璃與樹脂界面結合為最薄弱點 基材中可水解的游離離子緩慢聚集 這些離子在電場作用下在電極間移動而形成導電通道 如果電極間距離越小 形成通道時間越短 基材絕緣破壞越快 過去由于線路密度小 電子產品使用10萬小時以上也沒有問題 現在密度高也許1萬小時就發生絕緣性能下降的現象 因此對基材提出了耐離子遷移的問題 離子遷移對電子產品的危害 1 電子產品信號變差 性能下降 可靠性下降 2 電子產品使用壽命縮短 3 能耗提高 4 絕緣破壞 可能出現短路而發生火災安全問題 高性能板材 耐CAF板材耐CAF板材遷移的形式離子遷移的形式有孔與孔 HoleToHole 孔與線 HoleToLine 線與線 LineToLine 層與層 LayerToLayer 其中最容易發生在孔與孔之間 如下圖所示 離子遷移的四種情形 a 孔間b 導線與孔c 層間d 導線間 TestCondition 85 85 RH DC50VSampleConstruction TH TH0 65mm Space0 25mm L L0 10mmSampleType FR 4S1170 普通FR 4S1141 耐CAFFR 4S1141KF 板材的發展趨勢 兩大發展趨勢無鹵化 無鉛化 ROHS標準ROHS標準定義RoHS是 電氣 電子設備中限制使用某些有害物質指令 theRestrictionoftheuseofcertainhazardoussubstancesinelectricalandelectronicequipment 的英文縮寫 此指令主要是對產品中的鉛 汞 鎘 六價鉻 聚溴聯苯 PBB 及聚溴聯苯醚 PBDE 含量進行限制 不符合ROHS標準有害物質RoHS一共列出六種有害物質 包括 鉛Pb 鎘Cd 汞Hg 六價鉻Cr6 聚溴聯苯PBB 聚溴聯苯醚PBDE ROHS標準實施時間歐盟將在2006年7月1日實施RoHS 屆時 不符合標準的電氣電子產品將不允許進入歐盟市場 ROHS工藝實施目前印制板采用的無鉛化表面處理方法有涂覆可焊性有機保護層 OSP 電鍍鎳 金 化學鍍鎳 金 電鍍錫 化學鍍錫 化學鍍銀 熱風整平無鉛焊錫等 這些表面處理方法有的在印制板產品得到大量應用 有的還在推廣中 無鉛焊錫熱風整平工藝與設備也已進入試用之中 板材的發展趨勢 無鹵和無鉛被列入禁用的六種有害物質與印制板直接相關的是鉛 聚溴聯苯 PBB 和聚溴二苯醚 PBDE 鉛是用于印制板板面連接盤上可焊性錫鉛涂覆層 有熱風整平錫鉛焊料或電鍍錫鉛形成 PBB與PBDE類溴化物是用作印制板基材覆銅箔層壓板與半固化片的阻燃劑 被混合在樹脂中 性能板材 無鹵素板材無鹵素板材 還有以下的其他稱呼 環保型覆銅板EnvironmentalProtectionCCL無鹵型覆銅板Halogen FreeCCL綠色覆銅板GreenCCL無鹵無銻型覆銅板Halogen AntimonyFreeCCL環境調和型覆銅板EnvironmentallyConsciousCCL環境友好型覆銅板Environment FriendlyCCL 高性能板材 無鹵素板材無鹵素板材定義 阻燃性達到UL94V 0級 不含鹵素 JPCA標準 Cl 900ppm Br 900ppm 銻 紅磷等 板材燃燒時發煙量少 難聞氣味少 在生產 加工 應用 火災 廢棄處理 回收 掩埋 燃燒 過程中 不會產生對人體和環境有害的物質 一般性能與普通板材相同 達到IPC 4101標準 PCB加工性與普通板材基本相同 以后它還要求節能 能回收利用 高性能板材 無鹵素板材無鹵素板材開發背景 一 電子工業的飛速發展 導致了電氣電子產品廢棄物 WEEE 驟增 據統計 歐盟每年產生的WEEE高達六百萬噸 人均14kg 預計未來2 3年將增至約900萬噸 報廢的電器在處理 回收利用時 含有的鉛 汞等重金屬和鹵素會對環境 水 土壤 空氣等 造成污染 據有關資料顯示 我國每年有數千噸印制線路板遺棄并混進一般生活垃圾 高性能板材 無鹵素板材無鹵素板材開發背景 二 上世紀七 八十年代 德國和意大利阻燃劑有專家認為吸入Sb2O3粉塵會致肺癌 1982年 瑞士聯邦研究所發現 含鹵化合物不完全燃燒時 燃燒溫度510 630 會產生二噁英 1985年 德國綠色和平組織員在含溴化合物材料燃燒產物中檢查出二噁英 同時 荷蘭牧場主反映 燃燒含溴化合物廢棄產品時 檢測到煙塵中有二噁英化學結構物質 上世紀九十年代中期 日本厚生省指出 在焚燒爐廢氣中發現二噁英 高性能板材 無鹵素板材如何制作無鹵素PCB板環保型PCB不僅要求采用環保型覆銅板 也要求所用化學原料和制作工藝的環保化 例 用次亞磷酸鈉或硼氫化物作還原劑進行化學鍍銅 而不用有害的甲醛 采用羥基磺酸來取代氟硼酸 用錫鍍層取代鉛錫合金鍍層等 采用無氟無鉛鍍錫 采用銀漿貫孔工藝 采用無鉛焊接工藝 Pb free 等等 板材的發展趨勢 無鉛化無鉛化 1 印制板上涂覆錫鉛焊料早就存在 并且是目前應用最多 可焊性最有效的印制板連接盤保護層 印制板表面涂覆錫鉛焊料的工藝方法有熱風整平錫鉛焊料或電鍍錫鉛合金 根據歐盟和有關國家法規在國家法規在2006年7月前將完全被取消 目前印制板采用的無鉛化表面處理方法有涂覆可焊性有機保護層 OS