厚銅多層板結(jié)構(gòu)性問題研究

王立峰

（廣東生益科技股份有限公司，廣東 東莞 523039）

厚銅箔大于137.2 μm（≥4 oz）印制電路板多用于電子產(chǎn)品、通訊、汽車電源、網(wǎng)絡(luò)能源模塊中的二次電源模塊等等，由于厚銅箔印制線路板通常要求耐壓值在1500 V以上，根據(jù)相關(guān)板材的耐壓標準，這要求線路板在層壓后，需要保證介質(zhì)層厚度大于等于100 μm，對于目前電子器件與整機產(chǎn)品小型化的趨勢，這要求保證板件可靠性的前提下，提高印制電路板的厚度，這種情況下，勢必存在一些影響可靠性的結(jié)構(gòu)性問題，如出現(xiàn)層壓填膠不足，空洞，內(nèi)層焊盤裂紋、熱沖擊或者回流焊后出現(xiàn)分層爆板、密集BGA及密集散熱孔出現(xiàn)玻璃紗裂紋等問題。

本文通過多次試驗，從材料的角度提出一種改善厚銅多層板可靠性的結(jié)構(gòu)性問題的方案，供業(yè)界探討與分析。

1 厚銅多層板的發(fā)展趨勢

1.1 厚銅多層板定義

通常將厚度大于等于105 μm（單位面積質(zhì)量915 g/m2或者3 oz/ft2）的銅箔（經(jīng)過表面處理的電解銅箔或者壓延銅箔）稱為厚銅箔，目前PCB用到的厚銅箔是105 μm、140 μm、171.5 μm、205.7 μm，有時用到411.6 μm的。PCBA板件在使用過程中勢必發(fā)熱，這些熱量來自電子元器件發(fā)熱、PCB本身發(fā)熱、外部環(huán)境的熱量，這三個熱源中，其中電子元器件的熱量是最大的，其次是PCB本身的發(fā)熱。元器件的發(fā)熱是由其功耗決定的，承載大功率器件的PCB板一般伴隨著大電流，因此大電流PCB設(shè)計時，首先要考慮導電層通過大電流的能力，其次考慮PCB安全承受大電流所產(chǎn)生熱量的能力[1]。根據(jù)銅導體承受電流的大小與其線路的橫截面積的大小成正比。所以增加銅箔的厚度或者加大線寬的設(shè)計可以用來滿足大電流載荷的需求。對于一些大電流、大功率的電源板，在有限的空間內(nèi)需要設(shè)計更多的線路，所以厚銅多層板的需求越來越多。厚銅多層板就是用厚銅覆銅板加上PP片進行層壓，壓合成需要的多層板。目前層壓內(nèi)層板采用厚銅芯板已成為PCB行業(yè)的另一發(fā)展趨勢，但是由于內(nèi)層板銅厚太厚、層壓時樹脂能否填充滿，整板厚度是否滿足要求等一些結(jié)構(gòu)性問題出現(xiàn)了。

1.2 厚銅多層板的市場應(yīng)用

近幾年世界厚銅的市場需求得到迅速的增加。厚銅箔覆銅板與厚銅多層印制電路板的研制、產(chǎn)銷已經(jīng)成為當前業(yè)界的熱門。高速發(fā)展的大電流基板、電源基板、散熱基本成為驅(qū)動厚銅箔CCL、厚銅多層板市場規(guī)模擴大的主要方面。

目前，厚銅箔的主要應(yīng)用市場是大電流基板的制造，大電流基板一般都為大功率或者高電壓的基板，它多用于汽車電子、通訊設(shè)備、航空航天、網(wǎng)絡(luò)能源、平面變壓器、功率轉(zhuǎn)換器（調(diào)解器）、電源模塊等方面，涉及到汽車、通訊、航天航空、電力、新能源（光伏發(fā)電、電力發(fā)電）、半導體照明（LED）、電力機車等領(lǐng)域。電子產(chǎn)品的薄型化、小型化的發(fā)展，迫切需要PCB具有更高的導熱能力，薄芯厚銅多層板的應(yīng)用就更加廣泛了。厚銅PCB產(chǎn)品的發(fā)展[3]，也引申了一個以它為中心的新的產(chǎn)業(yè)鏈，見下圖1，它的終端電子產(chǎn)品領(lǐng)域也與常規(guī)的PCB有所差異。

2 厚銅多層板結(jié)構(gòu)性問題的解決方案

2.1 常見結(jié)構(gòu)性問題及剖析

圖1 厚銅產(chǎn)業(yè)鏈

圖2 多層板常見問題

隨著薄芯厚銅多層板的研制與開發(fā)，其產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)性問題嚴重影響PCB板的可靠性，一些缺陷甚至是致命的。如填膠不滿、熱沖擊分層、焊盤邊上裂紋、玻璃紗裂紋等，如圖2。

對以上厚銅多層板常見的結(jié)構(gòu)性問題進行解剖：

（1）填膠不滿：由于內(nèi)層芯板銅箔較厚，層壓過程中需要填充的樹脂量大增，一旦樹脂量不夠，就容易出現(xiàn)樹脂空洞問題，在電測過程中容易出現(xiàn)失效。另外，對于一些有埋孔結(jié)構(gòu)的多層板件，也需要用半固化片填膠，但是常常因為填料產(chǎn)品的玻璃紗交織點擋在孔口，填料堵住玻璃紗的空隙，導致樹脂無法通過玻璃紗空隙流入到孔內(nèi)，從而出現(xiàn)孔內(nèi)空洞問題。

（2）焊盤邊上裂紋：內(nèi)層芯板銅較厚，直接導致芯板無銅區(qū)到填膠的PP的距離拉遠，這個區(qū)域需要大量的樹脂來填充，這些樹脂部分經(jīng)過了玻璃紗過濾，其填料成分過濾在玻璃紗的上，所以這部分樹脂的Z-CTE相對較高，在高溫下，容易出現(xiàn)裂紋。

（3）熱沖擊分層/玻璃紗裂紋：PP的膠都用來填充了內(nèi)層芯板無銅區(qū)，所剩無幾，其耐熱性必然會下降，在高溫下出現(xiàn)玻璃紗裂紋及分層情況是可以預見的。

2.2 問題分析與試驗

傳統(tǒng)的方式就是使用多張106高樹脂含量的PP進行填膠[5]，但是目前行業(yè)里面的產(chǎn)品大部分都是有填料的，且比例從10%～55%不等，一旦用到106玻璃布就會存在一個問題，玻璃布與玻璃布之間的樹脂很難相互滲透。因為玻璃布本身的經(jīng)紗與緯紗之間的間隙較小，配方里面的填料堵在玻璃紗的間隙里面，導致樹脂很難從玻璃布的一面滲透到另外一面，這樣就算106樹脂含量再高，數(shù)量再多，也很難填滿厚銅多層板的無銅區(qū)域，就算填滿了，大部分填料都過濾在玻璃紗位置。填充到無銅區(qū)域的純樹脂因為沒有填料，出現(xiàn)樹脂、填料分離的現(xiàn)象，體現(xiàn)不了填料配方的優(yōu)勢，故其耐濕熱性能相對較差，容易出現(xiàn)填膠不滿、玻璃紗裂紋、白點、暈圈等問題。針對這些結(jié)構(gòu)性問題，是否有應(yīng)對策略呢？2009年我提出過單面樹脂層厚度[2]的定義，不同厚度不同樹脂含量的玻璃布的單面樹脂層厚度不同，單面樹脂層厚度決定了其填膠的能力。以普通FR-4配方為例，計算常用玻璃布的單面樹脂層厚度，見表1。

從表1可以看出，不同樹脂含量其單面的樹脂層厚度是不同的，其填膠能力是否有差異呢？設(shè)計一個試驗方案，普通的FR-4（無填料）材料的高低樹脂含量的半固化片去填一個填孔模型，這個模型的大概原理是：設(shè)計一定的孔深、孔徑、孔密度，然后用單面填膠的方式進行填膠（相同的層壓程序壓合），根據(jù)填膠的效果去評判半固化片的填膠能力。運用填膠模型，填膠效果如下表2。

表2 無填料FR-4不同單面樹脂層厚度半固化片填膠能力評估結(jié)果

從填膠模型的結(jié)果來看，普通FR-4單面樹脂層厚度對填膠能力具有決定性作用。單面樹脂含量越厚，填膠效果越好。對于無鉛有填料的FR-4來說是否具有相同的填膠能力呢？請看表3的試驗結(jié)果。

從測試結(jié)果來看， 基本規(guī)律還是單面樹脂層厚度越厚，其填膠能力越好，但是填膠能力明顯不如普通FR-4（無填料）。

2.3 應(yīng)對策略與解決方案

基于以上的研究，研制一種單面樹脂層厚度足夠厚的半固化片就能解決厚銅的這些結(jié)構(gòu)性問題。經(jīng)過研究，生益研發(fā)了一種高填充的半固化片（SP），其增強材料沒有玻璃布編織結(jié)構(gòu)，樹脂可以兩面自由流動，樹脂含量最高做到92%，厚度最厚達到230 μm，這種高填充材料解決了厚銅的填膠問題。對于具有埋孔結(jié)構(gòu)的板件，不失為一種有效的解決方案。因為這種高填充材料沒有玻璃布的編織結(jié)構(gòu)，剛性不足導致翹曲問題，其樹脂自由流動過度導致厚度不均勻等問題[4]，故在多層厚銅板方面的應(yīng)用大部分只局限在外層使用這種高填充半固化片。經(jīng)過研發(fā)，生益開發(fā)了另外一種高填充的材料（ST），其增強材料為電子級玻璃布，樹脂含量高達92%，單面樹脂層厚度達到55 μm，見表4。這種材料不僅具有高填充性能，其剛性也足夠，層壓厚度均勻性良好等特點。

表1 不同玻璃布的單面樹脂厚度

表3 有填料FR-4不同單面樹脂層厚度半固化片填膠能力評估結(jié)果

表4 高填充材料單面樹脂層厚度表

運用填膠模型驗證此產(chǎn)品的填膠結(jié)果見表5。填膠效果非常好，盡管運用的是有填料的配方，但是106的玻璃紗交織點小而薄，玻璃布開纖程度高，單面樹脂層厚度足夠是其填膠良好的主要原因。

表5 高填充半固化片的填膠效果

在進行PCB設(shè)計時，單面樹脂層厚度是必需要考慮的，如何來選材呢？經(jīng)過大量走訪PCB廠進行溝通，在厚銅填膠選材方面有如下原則可供參考：

對于填孔孔深小于0.6 mm具有埋孔結(jié)構(gòu)要求的板件可以選用ST半固化片；

對于填孔孔深大于0.6 mm具有埋孔結(jié)構(gòu)要求的板件可以選用SP半固化片；

對于多層厚銅板件的外層填膠，選用SP半固化片；

對于內(nèi)層有填膠要求且有介質(zhì)層厚度要求結(jié)構(gòu)的板件選用ST半固化片。

隨著PCB的結(jié)構(gòu)越來越復雜，單一的材料很難全面解決所有的問題，需要用不同特性的材料解決不同的結(jié)構(gòu)性問題。

3 結(jié)語

隨著PCB的各種結(jié)構(gòu)的設(shè)計越來越嚴格，厚銅多層板的結(jié)構(gòu)性問題也越來越凸顯，這推動了材料的不斷完善與改進。SP與ST的出現(xiàn)為厚銅多層板的結(jié)構(gòu)性問題提供了解決方案，在解決埋孔填膠、填膠不足、白點、玻璃紗裂紋等問題方面有其獨到之處。材料是否成為終極解決方案，還需要不斷的研究與驗證，改善無止境。

[1]范思維等. 超厚銅多層印制電路板制作工藝探討[J]. 印制電路信息,2013,5.

[2]王立峰. 半固化片填孔性能方法的研究與探討[J].印制電路信息,2009(Z1).

[3]沈文彬等. 厚銅PCB用高填充性半固化片的研制[J]. 印制電路信息, 2011,10.

[4]韋延平. 論厚銅層壓板的厚度均勻性控制. 印制電路信息,2010年S1期

[5]黃鎮(zhèn). 厚銅芯板及高膠含量疊層結(jié)構(gòu)壓合方法的研究[J]. 印制電路信息,2010年S1期