疊層結(jié)構(gòu)對(duì)高速板材PCB可靠性影響研究

唐海波 萬(wàn)里鵬 吳 爽 任堯儒

（東莞生益電子有限公司，廣東 東莞 523039）

1 背景

隨著通訊行業(yè)逐步發(fā)展，人們對(duì)高速傳輸、即時(shí)通訊等服務(wù)要求也越來(lái)越高，不僅體現(xiàn)在功能要求方面，對(duì)于畫面清晰度、傳輸速度等服務(wù)質(zhì)量也越來(lái)越苛刻。這對(duì)PCB板材提出了高頻（信號(hào)損耗少）高速（傳輸速度快）的要求，同時(shí)，高速PCB可靠性能夠滿足OEM貼裝過(guò)程中的無(wú)鉛回流焊條件，無(wú)表觀起泡、無(wú)內(nèi)部分層、樹(shù)脂空洞等缺陷產(chǎn)生。

扁平玻璃布板材作為高頻高速板材中的一部分，具有整體均勻性好、表面平滑、尺寸穩(wěn)定、機(jī)械加工質(zhì)量?jī)?yōu)良及電性能突出等優(yōu)點(diǎn)（圖1和表1）[1]，受到了CCL、PCB和OEM制造商的青睞。

圖1 普通玻布（a）和扁平玻布（b）平面圖

表1 玻布性能對(duì)比

為保證高速板材在高端PCB上的使用性能，尤其是具有優(yōu)異加工性能的扁平布板材，需對(duì)其耐熱可靠性進(jìn)行研究。

2 難點(diǎn)分析

高頻板材廣泛應(yīng)用于高多層板，隨著客戶設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的不斷復(fù)雜以及對(duì)BGA孔壁間距要求的提升，對(duì)板料的可靠性提出了更高的要求。尤其是BGA區(qū)域多層厚銅結(jié)構(gòu)的存在，對(duì)板材可靠性提出了新的挑戰(zhàn)。

在封裝貼片尤其是無(wú)鉛焊接過(guò)程中，PCB板溫度變化過(guò)大，極易在BGA區(qū)域的厚銅位置或厚銅旁的半固化片產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致樹(shù)脂與銅箔或樹(shù)脂與玻布發(fā)生分層。

樹(shù)脂與銅箔間結(jié)合力提升是改善樹(shù)脂與銅箔間分層最有效的方法，但樹(shù)脂體系及銅箔類型的固定，導(dǎo)致改善空間極小。

對(duì)于樹(shù)脂與玻布間的分層，首要影響因素為板材玻布與樹(shù)脂間結(jié)合力，在內(nèi)應(yīng)力較大的位置應(yīng)避免采用可靠性較差的半固化片或芯板。

3 半固化片分層理論分析

回流焊測(cè)試過(guò)程中，半固化片、芯板等常出現(xiàn)玻布與樹(shù)脂分層的缺陷。這是由于樹(shù)脂與玻布在熱作用下，兩種材料發(fā)生膨脹，但膨脹系數(shù)相差較大，在交界面處產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)內(nèi)應(yīng)力超過(guò)玻纖與樹(shù)脂結(jié)合力時(shí)，則發(fā)生分層缺陷。對(duì)回流焊測(cè)試過(guò)程中樹(shù)脂與玻纖交界面內(nèi)應(yīng)力分析如下：

如圖2所示，假設(shè)半固化片層中純樹(shù)脂厚度為2l1，玻布厚度為2l2，兩邊為孔壁銅。

圖2 半固化片結(jié)構(gòu)示意圖

在回流焊過(guò)程中，孔壁銅、樹(shù)脂、玻纖等均會(huì)由于受熱發(fā)生膨脹，由于三種材料熱膨脹系數(shù)存在較大的差異，同時(shí)孔壁銅的固定作用，整體膨脹量固定，導(dǎo)致樹(shù)脂與玻布交界處產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。

圖3 回流焊過(guò)程中尺寸變化

假設(shè)：

整體區(qū)域較小，回流焊過(guò)程中該區(qū)域溫度變化量一致，均為ΔT；

材料內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)閺椥詰?yīng)變，μ1、μ2分別為樹(shù)脂、玻布的應(yīng)變量，E1、E2分別為樹(shù)脂、玻布的彈性模量，σ1、σ2分別為樹(shù)脂、玻布的內(nèi)應(yīng)力；

銅、玻布及樹(shù)脂的熱膨脹系數(shù)為C銅、C玻布、C樹(shù)脂。

那么，為維持半固化片與孔壁一樣的變化量，則

那么應(yīng)變是由于內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生，同時(shí)兩邊內(nèi)應(yīng)力平衡，則[2]

由式（3）可以看出，在回流焊過(guò)程中樹(shù)脂與玻布之間產(chǎn)生的應(yīng)力與溫度變化量（ΔT）、玻布與樹(shù)脂厚度比（l2/l1）相關(guān)，溫度變化量（ΔT）和玻布與樹(shù)脂厚度比（l2/l1）越大，則內(nèi)應(yīng)力越大。

4 研究過(guò)程

4.1 研究對(duì)象

T板料：1067（RC72%）×2 PP和1080（RC69%）+1078（69%）PP；68.6 μm/68.6 μm 1080（RC 64%）×1 0.033 mm Core和68.6 μm/68.6 μm 3313（RC 56%）×1 0.1 mm Core。

S板料：68.6 μm/68.6 μm 0.1 mm 2313×1 Core和68.6 μm/68.6 μm 0.1 mm 3313×1 Core。

其它主要及輔助物料均為生產(chǎn)線正常物料。

4.2 研究方案

在疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，包括半固化片組合、芯板厚度以及相同芯板厚度下，不同半固化片組合等多種情況，下面對(duì)該三種情況設(shè)計(jì)了不同疊構(gòu)進(jìn)行了研究。

4.2.1 不同P片組合（T板料）

設(shè)計(jì)一款24L對(duì)稱結(jié)構(gòu)考試板，成品板厚3.2 mm，最小BGA Pitch為0.8 mm，矩陣大小40×40，兩種疊層結(jié)構(gòu)對(duì)比驗(yàn)證。L3/L4、L9/L10、L15/L16和L21/L22層采用不同半固化片組合，疊構(gòu)1采用1067×2的P片組合，疊構(gòu)2則采用1080+1078的半固化片組合。

4.2.2 不同厚度芯板（T板料）

設(shè)計(jì)一款22L，對(duì)稱結(jié)構(gòu)，厚度3.0 mm，最小BGA pitch 0.8mm，BGA矩陣大小40×40，銅厚68.6 μm/68.6 μm芯板與銅厚68.6 μm/68.6 μm芯板相鄰的考試板。L10/L11和L12/L13層，疊構(gòu)3采用銅厚68.6 μm/68.6 μm 1080×1（RC 64%）0.075 mm Core，疊構(gòu)4則采用銅厚68.6 μm/68.6 μm 3313×1（RC 56%）0.1 mm Core。

4.2.3 不同結(jié)構(gòu)芯板（S板料）

設(shè)計(jì)一款24L，對(duì)稱結(jié)構(gòu)，厚度3.2 mm厚度，最小BGA pitch 0.8 mm，BGA矩陣大小40×40，內(nèi)層有銅厚68.6 μm/68.6 μm芯板的考試板。L10/11和L12/13的兩張銅厚68.6 μm/68.6 μm，0.10 mm的芯板，疊構(gòu)5采用2313×1制作，疊構(gòu)6則采用3313×1壓合而成。

5 結(jié)果與分析

5.1 層壓

5.1.1 料溫曲線

由表2～表4可知，三種設(shè)計(jì)下的兩種材料內(nèi)、外層的升溫速度、固化時(shí)間以及轉(zhuǎn)壓點(diǎn)等均滿足板材固化要求，層壓生產(chǎn)過(guò)程滿足要求。

表2 不同P片組合T板料料溫曲線

表3 不同厚度芯板T板料料溫曲線

表4 不同結(jié)構(gòu)芯板S板料料溫曲線

5.1.2 固化品質(zhì)

由表5～表7可知，三種設(shè)計(jì)下的兩種板料層壓后固化品質(zhì)（Tg、ΔTg、T260和CTE等）均滿足相應(yīng)板材及高Tg固化要求，說(shuō)明層壓過(guò)程中，兩種板料均固化完全。

5.2 鉆孔

三種設(shè)計(jì)下的兩種材料均采用其對(duì)應(yīng)的鉆孔參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，孔壁質(zhì)量見(jiàn)表8。

由表8可以看出，三種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)下的兩種材料的孔壁質(zhì)量均滿足孔粗≤30 μm，暈圈≤100 μm，燈芯≤76 μm，釘頭≤1.76的要求，說(shuō)明鉆孔過(guò)程滿足要求。

5.3 回流焊測(cè)試條件

同一板材采用相同回流條件進(jìn)行回流，實(shí)測(cè)板面溫度結(jié)果見(jiàn)表9。

由表9可以知道，方案1和方案3回流焊測(cè)試過(guò)程中板面溫度均滿足峰溫260 ℃±5 ℃，217 ℃以上時(shí)間120 s ～ 150 s，255 ℃以上時(shí)間20 s ～ 30 s的無(wú)鉛回流焊接要求，方案2板面溫度滿足峰溫260 ℃±5 ℃，217 ℃以上時(shí)間60 s ～ 150 s的無(wú)鉛回流焊接要求。

5.4 回流焊結(jié)果

5.4.1 不同半固化片組合（T板料）

由圖4可以看出，采用疊構(gòu)1（L3/L4、L9/L10、L15/L16和L21/L22層采用1067×2的半固化片組合）時(shí)，0.8 mm Pitch/0.3 mm取刀的BGA區(qū)域的L9/10及L15/16層間半固化片樹(shù)脂與玻纖布發(fā)生分層。采用疊構(gòu)2（替換L3/L4、L9/L10、L15/L16和L21/L22層半固化片為1080+1078的半固化片組合）時(shí)，未發(fā)現(xiàn)有分層現(xiàn)象發(fā)生。

圖4 T板料 0.8 mm Pitch/0.3mm取刀BGA回流焊測(cè)試結(jié)果

查閱1067、1078和1080該三種半固化片對(duì)應(yīng)的玻布、樹(shù)脂厚度，則l2/l1依次為1.22、0.92和1.46。由式（3），在溫度變化量（ΔT）一定的條件下，三種半固化片的耐熱可靠性為1080＞1067＞1078。

表5 不同P片組合（T板料）固化品質(zhì)

表6 不同厚度芯板（T板料）固化品質(zhì)

表7 不同結(jié)構(gòu)芯板（S板料）固化品質(zhì)

表8 孔壁質(zhì)量

表9 回流焊板面溫度

在使用過(guò)程中，1067×2的半固化片組合整體厚度僅有5.0 mil，而1080+1078厚度為7.0 mil，在相同回流焊條件下，1067×2組合的溫度變化量ΔT要大于1080+1078的組合，溫度差影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了半固化片玻布/樹(shù)脂厚度比，則1067 半固化片在玻布與樹(shù)脂交界面發(fā)生分層。

那么，后續(xù)生產(chǎn)需注意以下兩點(diǎn)：

（1）在相同溫度變化量下，玻布與樹(shù)脂厚度比值較大的普通玻布（1080）半固化片耐熱可靠性要優(yōu)于扁平開(kāi)纖布（1078、1067）半固化片[3]；

（2）耐熱可靠性要求較高的位置，應(yīng)盡量采用玻布較厚的半固化片，降低該區(qū)域溫度變化量，減小半固化片樹(shù)脂與玻布內(nèi)應(yīng)力。

5.4.2 不同厚度芯板（T板料）

由圖5可以看出，68.6 μm/68.6 μm芯板厚度為0.075 mm（1080Y×1，疊構(gòu)3）時(shí)，回流焊測(cè)試過(guò)程中，芯板玻布與樹(shù)脂發(fā)生分層，無(wú)法滿足可靠性要求。68.6 μm/68.6 μm芯板厚度為0.1 mm（3313Y×1，疊構(gòu)4）時(shí)，回流焊測(cè)試過(guò)程中，未發(fā)現(xiàn)有芯板中玻布與樹(shù)脂分層等缺陷，滿足可靠性要求。

圖5 T板料0.8mm Pitch/0.3mm取刀BGA回流焊測(cè)試結(jié)果

該種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)下，68.6 μm/68.6 μm芯板與68.6 μm/68.6 μm芯板相鄰，且68.6 μm銅均為線路設(shè)計(jì)。在回流焊測(cè)試過(guò)程中，68.6 μm線路相對(duì)區(qū)域易因溫度變化而產(chǎn)生應(yīng)力。疊構(gòu)3的條件下，68.6 μm/68.6 μm芯板厚度僅為0.075 mm，溫度變化值（ΔT）要高于疊構(gòu)4下的0.1 mm 68.6 μm/68.6 μm芯板溫度變化值。根據(jù)公式（3）可以知道，疊構(gòu)3下芯板中玻布與樹(shù)脂交界面的內(nèi)應(yīng)力要高于疊構(gòu)4下的界面應(yīng)力，導(dǎo)致疊構(gòu)3下芯板分層，而疊構(gòu)4下芯板未有缺陷發(fā)生。

5.4.3 不同結(jié)構(gòu)芯板（S板料）

由圖9知道，68.6 μm/68.6 μm 0.1 mm Core采用2313×1（扁平玻布，疊構(gòu)5）時(shí)，回流焊測(cè)試過(guò)程中，玻布與樹(shù)脂發(fā)生分層，無(wú)法滿足可靠性要求。替換68.6 μm/68.6 μm 0.1 mm Core為3313×1（普通玻布，疊構(gòu)6）時(shí)，回流焊測(cè)試過(guò)程中，未發(fā)現(xiàn)有玻布與樹(shù)脂分層等缺陷，滿足可靠性要求。

圖6 S板料0.8mm Pitch/0.3mm取刀BGA回流焊測(cè)試結(jié)果

查閱3313和2313該兩種玻布厚度均為0.0825 mm，在回流焊過(guò)程中玻布與樹(shù)脂所受內(nèi)應(yīng)力一致。但由于該兩種玻布類型（正常布和扁平布）存在較大差異，在耐熱可靠性上也有較大區(qū)別。

由圖7可以看出，扁平玻布（2313）較為平坦，紗束間距較小，普通玻布（3313）紗束間存在一定間距。在浸膠過(guò)程中，2313玻布（扁平玻布）同一紗束中玻紗間距較3313玻布（普通玻布）大，提升了紗束的浸膠效果。但經(jīng)紗與緯紗接觸面積較大，交界面的浸膠效果大大降低，導(dǎo)致2313玻布（扁平玻布）整體耐熱可靠性降低，在2313半固化片的經(jīng)紗與緯紗交界面發(fā)生分層。

圖7 玻纖布結(jié)構(gòu)示意圖

6 結(jié)論

（1）回流焊過(guò)程中，玻纖布、樹(shù)脂以及銅三種材料熱膨脹系數(shù)不一致是引起分層爆板的主要原因；

（2）在可靠性要求較高的位置，采用玻布較厚的半固化片（優(yōu)選1080，3313），可降低該區(qū)域溫度變化量，減小內(nèi)應(yīng)力；

（3）在相同介質(zhì)厚度、保證填膠的基礎(chǔ)上，玻布與樹(shù)脂厚度比值較大的普通半固化片在回流焊過(guò)程中玻布與樹(shù)脂間的內(nèi)應(yīng)力要小于扁平玻布半固化片；

（4）扁平玻布相對(duì)于普通玻布，經(jīng)紗、緯紗交界位置接觸面積較大，浸膠效果較差，易導(dǎo)致回流焊測(cè)試過(guò)程中玻布間分層。

[1]黃國(guó)有. 開(kāi)纖電子布的特征及其對(duì)CCL,PCB的影響[J]. 覆銅板資訊, 2006,5:29-30.

[2]曾攀. 有限元分析基礎(chǔ)教程[M]. 北京:清華大學(xué)出版社, 2008.

[3]危良才. 電子玻纖前景廣闊,海峽兩岸競(jìng)爭(zhēng)激烈[J].玻璃纖維, 2004,2:37-40.