PCB基材成份及特性

PCB專業(yè)知識(shí)第二講PCB用基板材料 程杰業(yè)務(wù)經(jīng)理 市場部方東煒技術(shù)服務(wù)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(chǎn)流程 上膠機(jī) 壓機(jī) 覆銅板主要生產(chǎn)設(shè)備 生益科技自動(dòng)剪切線 生益CCL自動(dòng)分發(fā)線 生益小板自動(dòng)開料機(jī) 半固化片在多層電路板層壓時(shí)使用的半固化片 是覆銅板在制作過程中的半成品 在環(huán)氧玻纖布覆銅板生產(chǎn)過程中 玻纖布經(jīng)上膠機(jī)上膠并烘干至 B 階 B 階是指高分子物已經(jīng)相當(dāng)部分關(guān)聯(lián) 但此時(shí)物料仍然處于可溶 可熔狀態(tài) 此種半成品俗稱黏結(jié)片 它有兩種用途 一是直接用于壓制覆銅板 通常稱為黏結(jié)片 另一種直接作為商品出售 供應(yīng)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(chǎn)過程是一樣的 半固化片 半固化片生產(chǎn)車間 PCB用基材的分類 1 按增強(qiáng)材料不同 最常用的分類方法 紙基板 FR 1 FR 2 FR 3 環(huán)氧玻纖布基板 FR 4 FR 5 復(fù)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(huán)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(jí) 環(huán)氧玻纖布基板 FR 4 FR 5 1 環(huán)氧玻纖布覆銅板強(qiáng)度高 耐熱性好 介電性好 基板通孔可金屬化 實(shí)現(xiàn)雙面和多層印刷層與層間的電路導(dǎo)通 環(huán)氧玻纖布覆銅板是覆銅板所有品質(zhì)中用途最廣 用量最大的一類 廣泛用于移動(dòng)通訊 數(shù)字電視 衛(wèi)星 雷達(dá)等產(chǎn)品中 在全世界各類覆銅板中 紙基覆銅板和環(huán)氧玻纖布覆銅板約占92 2 在NEMA標(biāo)準(zhǔn)中 環(huán)氧玻纖布覆銅板有四種型號(hào) G10 不組燃 G11 保留熱強(qiáng)度 不阻燃 FR 4 阻燃 FR 5 保留熱強(qiáng)度 阻燃 目前環(huán)氧玻纖布覆銅板中 FR 4板用量占90 以上 它已經(jīng)發(fā)展成為可適用于不同用途環(huán)氧玻纖布覆銅板的總稱 環(huán)氧玻纖布基板主要組成 E型玻纖布 GlassFiberPaper 型號(hào)7628 2116 1080 3313 1500 106等環(huán)氧樹脂 Resin 雙官能團(tuán)樹脂 多官能團(tuán)樹脂 銅箔 Copper 電解銅箔 1 3OZ 1 2OZ 10Z 20Z 30Z 50Z 壓延銅箔 主要應(yīng)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(guī)格 樹脂基板材料生產(chǎn)過程中 高分子樹脂 PolymerResin 是重要的原料之一 根據(jù)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(huán)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(jīng)過多次重復(fù)輥軋而制成的原箔 也叫毛箔 根據(jù)要求進(jìn)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(shù)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(shè)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(jù)要求對(duì)原箔進(jìn)行表面處理 耐熱層處理和防氧化等一系列的表面處理 復(fù)合基板 compositeepoxymaterial 面料和芯料由不同的增強(qiáng)材料構(gòu)成的剛性覆銅板 稱為復(fù)合基覆銅板 這類板主要是CEM系列覆銅板 其中CEM 1 環(huán)氧紙基芯料 和CEM 3 環(huán)氧玻璃無紡布芯料 是CEM中兩個(gè)重要的品種 具有優(yōu)異的機(jī)械加工性 適合沖孔工藝 由于增強(qiáng)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(yè)用的高CTI板等等 CEM 1CEM 1覆銅板的結(jié)構(gòu) 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(huán)氧樹脂 產(chǎn)品以單面覆銅板為主 CEM 1覆銅板的特點(diǎn) 產(chǎn)品的主要性能優(yōu)于紙基覆銅板 具有優(yōu)異的機(jī)械加工性 成本低于玻纖覆銅板 CEM 3CEM 3是性能水平 價(jià)格介于CEM 1和FR 4之間的復(fù)合型覆銅板層壓板 這種板材用浸漬環(huán)氧樹脂的玻纖布作板面 環(huán)氧樹脂玻纖紙作芯料 單面或雙面覆蓋銅箔后熱壓而成 復(fù)合基板CEM增強(qiáng)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(fù)合基板結(jié)構(gòu) 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(huán)氧樹脂或其他高性能樹脂 樹脂厚度一般60 80um 經(jīng)烘箱干燥脫去溶劑 樹脂半固片達(dá)到B階形成的 RCC在HDI多層板的制作過程中 取代傳統(tǒng)的黏結(jié)片與銅箔的作用 作為絕緣介質(zhì)的導(dǎo)電層 可以采用非機(jī)械鉆孔技術(shù) 通常為激光成孔等新技術(shù) 形成微孔 達(dá)到電氣連通 從而實(shí)現(xiàn)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(jīng)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(gòu)成 結(jié)構(gòu)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(biāo) 基材常見的性能指標(biāo) Tg溫度玻璃化轉(zhuǎn)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(gè)工序的問題會(huì)超過此范圍 對(duì)制品的加工效果及最終狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生一定的影響 因此 提高Tg是提高FR 4耐熱性的一個(gè)主要方法 其中一個(gè)重要手段就是提高固化體系的關(guān)聯(lián)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(tuán)及多功能團(tuán)的環(huán)氧樹脂或是引入部分酚酫型環(huán)氧樹脂 把Tg值提高到160 200度左右 基材常見的性能指標(biāo) 介電常數(shù)DK介電常數(shù)隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展 信息處理和信息傳播速度提高 為了擴(kuò)大通訊通道 使用頻率向高頻領(lǐng)域轉(zhuǎn)移 它要求基板材料具有較低的介電常數(shù)e和低介電損耗正切tg 只有降低e才能獲得高的信號(hào)傳播速度 也只有降低tg 才能減少信號(hào)傳播損失 關(guān)于介電常數(shù)e和介電損耗正切tg和傳播速度 傳播損失的關(guān)系詳見特殊板材 PTFE一章 基材常見的性能指標(biāo) 熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù) CTE 隨著印制板精密化 多層化以及BGA CSP等技術(shù)的發(fā)展 對(duì)覆銅板尺寸的穩(wěn)定性提出了更高的要求 覆銅板的尺寸穩(wěn)定性雖然和生產(chǎn)工藝有關(guān) 但主要還是取決于構(gòu)成覆銅板的三種原材料 樹脂 增強(qiáng)材料 銅箔 通常采取的方法是 1 對(duì)樹脂進(jìn)行改性 如改性環(huán)氧樹脂 2 降低樹脂的含量比例 但這樣會(huì)降低基板的電絕緣性能和化學(xué)性能 銅箔對(duì)覆銅板的尺寸穩(wěn)定性影響比較小 TMA曲線圖 基材常見的性能指標(biāo) 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(chǎn)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(duì)玻纖布和環(huán)氧樹脂中一種或兩種進(jìn)行改性 如使用具有UV BLOCK和自動(dòng)化光學(xué)檢測功能的環(huán)氧樹脂 幾種高性能板材耐CAF板材無鹵素板材ROHS標(biāo)準(zhǔn)和符合ROHS標(biāo)準(zhǔn)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(yè)的飛速發(fā)展 電子產(chǎn)品輕 薄 短 小化 PCB的孔間距和線間距就會(huì)變的越來越小 線路也越來越細(xì)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(shí)驗(yàn)室的研究人員于1955年發(fā)現(xiàn)的 它是指金屬離子在電場的作用下在非金屬介質(zhì)中發(fā)生的電遷移化學(xué)反應(yīng) 從而在電路的陽極 陰極間形成一個(gè)導(dǎo)電通道而導(dǎo)致電路短路 為什么會(huì)提出耐離子遷移性 隨著電子產(chǎn)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(xì)密 絕緣距離更加短小 這對(duì)絕緣基材的絕緣性能要求更高 特別是在潮濕環(huán)境下 由于基材的吸潮性 玻璃與樹脂界面結(jié)合為最薄弱點(diǎn) 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(dòng)而形成導(dǎo)電通道 如果電極間距離越小 形成通道時(shí)間越短 基材絕緣破壞越快 過去由于線路密度小 電子產(chǎn)品使用10萬小時(shí)以上也沒有問題 現(xiàn)在密度高也許1萬小時(shí)就發(fā)生絕緣性能下降的現(xiàn)象 因此對(duì)基材提出了耐離子遷移的問題 離子遷移對(duì)電子產(chǎn)品的危害 1 電子產(chǎn)品信號(hào)變差 性能下降 可靠性下降 2 電子產(chǎn)品使用壽命縮短 3 能耗提高 4 絕緣破壞 可能出現(xiàn)短路而發(fā)生火災(zāi)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(fā)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(dǎo)線與孔c 層間d 導(dǎo)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(fā)展趨勢 兩大發(fā)展趨勢無鹵化 無鉛化 ROHS標(biāo)準(zhǔn)ROHS標(biāo)準(zhǔn)定義RoHS是 電氣 電子設(shè)備中限制使用某些有害物質(zhì)指令 theRestrictionoftheuseofcertainhazardoussubstancesinelectricalandelectronicequipment 的英文縮寫 此指令主要是對(duì)產(chǎn)品中的鉛 汞 鎘 六價(jià)鉻 聚溴聯(lián)苯 PBB 及聚溴聯(lián)苯醚 PBDE 含量進(jìn)行限制 不符合ROHS標(biāo)準(zhǔn)有害物質(zhì)RoHS一共列出六種有害物質(zhì) 包括 鉛Pb 鎘Cd 汞Hg 六價(jià)鉻Cr6 聚溴聯(lián)苯PBB 聚溴聯(lián)苯醚PBDE ROHS標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施時(shí)間歐盟將在2006年7月1日實(shí)施RoHS 屆時(shí) 不符合標(biāo)準(zhǔn)的電氣電子產(chǎn)品將不允許進(jìn)入歐盟市場 ROHS工藝實(shí)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(jī)保護(hù)層 OSP 電鍍鎳 金 化學(xué)鍍鎳 金 電鍍錫 化學(xué)鍍錫 化學(xué)鍍銀 熱風(fēng)整平無鉛焊錫等 這些表面處理方法有的在印制板產(chǎn)品得到大量應(yīng)用 有的還在推廣中 無鉛焊錫熱風(fēng)整平工藝與設(shè)備也已進(jìn)入試用之中 板材的發(fā)展趨勢 無鹵和無鉛被列入禁用的六種有害物質(zhì)與印制板直接相關(guān)的是鉛 聚溴聯(lián)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(fēng)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(huán)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(huán)境調(diào)和型覆銅板EnvironmentallyConsciousCCL環(huán)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(dá)到UL94V 0級(jí) 不含鹵素 JPCA標(biāo)準(zhǔn) Cl 900ppm Br 900ppm 銻 紅磷等 板材燃燒時(shí)發(fā)煙量少 難聞氣味少 在生產(chǎn) 加工 應(yīng)用 火災(zāi) 廢棄處理 回收 掩埋 燃燒 過程中 不會(huì)產(chǎn)生對(duì)人體和環(huán)境有害的物質(zhì) 一般性能與普通板材相同 達(dá)到IPC 4101標(biāo)準(zhǔn) PCB加工性與普通板材基本相同 以后它還要求節(jié)能 能回收利用 高性能板材 無鹵素板材無鹵素板材開發(fā)背景 一 電子工業(yè)的飛速發(fā)展 導(dǎo)致了電氣電子產(chǎn)品廢棄物 WEEE 驟增 據(jù)統(tǒng)計(jì) 歐盟每年產(chǎn)生的WEEE高達(dá)六百萬噸 人均14kg 預(yù)計(jì)未來2 3年將增至約900萬噸 報(bào)廢的電器在處理 回收利用時(shí) 含有的鉛 汞等重金屬和鹵素會(huì)對(duì)環(huán)境 水 土壤 空氣等 造成污染 據(jù)有關(guān)資料顯示 我國每年有數(shù)千噸印制線路板遺棄并混進(jìn)一般生活垃圾 高性能板材 無鹵素板材無鹵素板材開發(fā)背景 二 上世紀(jì)七 八十年代 德國和意大利阻燃劑有專家認(rèn)為吸入Sb2O3粉塵會(huì)致肺癌 1982年 瑞士聯(lián)邦研究所發(fā)現(xiàn) 含鹵化合物不完全燃燒時(shí) 燃燒溫度510 630 會(huì)產(chǎn)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(chǎn)物中檢查出二噁英 同時(shí) 荷蘭牧場主反映 燃燒含溴化合物廢棄產(chǎn)品時(shí) 檢測到煙塵中有二噁英化學(xué)結(jié)構(gòu)物質(zhì) 上世紀(jì)九十年代中期 日本厚生省指出 在焚燒爐廢氣中發(fā)現(xiàn)二噁英 高性能板材 無鹵素板材如何制作無鹵素PCB板環(huán)保型PCB不僅要求采用環(huán)保型覆銅板 也要求所用化學(xué)原料和制作工藝的環(huán)保化 例 用次亞磷酸鈉或硼氫化物作還原劑進(jìn)行化學(xué)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(fā)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(yīng)用最多 可焊性最有效的印制板連接盤保護(hù)層 印制板表面涂覆錫鉛焊料的工藝方法有熱風(fēng)整平錫鉛焊料或電鍍錫鉛合金 根據(jù)歐盟和有關(guān)國家法規(guī)在國家法規(guī)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(jī)保護(hù)層 OS