老化過程對PCB材料電性能的影響研究

劉詩濤 李一峰 王益文 葉曉菁 韓雪川

（深南電路有限股份公司，廣東 深圳 518000）

1 引言

隨著5G時代的來臨，電子系統(tǒng)朝著更大規(guī)模、更小尺寸和更快時鐘頻率的方向發(fā)展，電子系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)入高速設(shè)計領(lǐng)域。時鐘頻率與印制電路板（PCB ）集成度的提高，使PCB 的互連線對系統(tǒng)的電氣性能影響越來越大，繼而引發(fā)信號完整性（SI）問題[1]。出于設(shè)計的考慮，必須要了解傳輸線的特性阻抗、相速度與衰減常數(shù)與幾何圖形、頻率、導(dǎo)體與介質(zhì)材料性能之間的影響。對于一個簡單的傳輸線模型，也是一個導(dǎo)體和介質(zhì)組成的混合結(jié)構(gòu)，早在1952年Assadourian和Rimai等人就對導(dǎo)體中的信號損耗進(jìn)行簡單的理論分析[2]，后來的Welch和Pratt等人又對介質(zhì)的損耗進(jìn)行了研究和分析。但是上述的研究都未對特定的線路進(jìn)行幾何圖形的界定，因此Robert A等人提出了微帶線的信號衰減模型[3]，其認(rèn)為在外層單端微帶線模型下的損耗理想化為導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗兩部分。如公式1所示：

單位長度的介質(zhì)衰減常數(shù)表達(dá)式為公式2：

式子（2）中的k為常數(shù)，而Dk、Df分別為材料的介電常數(shù)與損耗角正切。通常來說，介質(zhì)損耗來源于高分子中的偶極子（見圖1）。

圖1 樹脂分子在外界電場作用示意圖

在圖1（a）中，在沒有外界電場的時候，樹脂分子雖然有極性，但是樹脂的分子分布比較隨機(jī)，所以總體的場強為0。當(dāng)樹脂兩側(cè)存在高頻信號時，此時外界有一個外加電場 E0，樹脂由于自身的極性會在電場上產(chǎn)生擺動，如圖 1（b）所示；最后會達(dá)到某一平衡，如圖1（c）所示。材料的損耗因子是形容材料在不同頻率下的“擺動”的大小，只有使用更小損耗因子的材料才能最大限度的減少電磁場能量的損耗。另一方面，SI問題中的阻抗控制也是眾多學(xué)者的研究熱點：Doi Y和Roose等人[4][5]介紹了高速互連線的一些基本電特性。Bokhari S和Yoon等人[6][7]對可工作在10Gbps傳輸速率以上的接地共面波導(dǎo)（GCPW）進(jìn)行了分析。Lee H等人[8]分析了差分線的阻抗匹配、延退及衰減等基本的SI問題。Kim J等人[9]利用時域反射計（TDR）測量提取差分線的分布參數(shù)耦合線模型；Tolescu A等人[10][11]對差分線的特性阻抗、差模衰減等參數(shù)的提取和測量進(jìn)行了分析。由此可見，在高速設(shè)計領(lǐng)域中，電子材料的介電常數(shù)和損耗因子對于高速傳輸線的阻抗與損耗至關(guān)重要。眾所周知的是， PCB材料在PCB制造過程中，包括后續(xù)成品進(jìn)行焊接和貼件時會受到不同的熱沖擊。同時在后續(xù)使用中電子材料面臨著各種各樣的使用環(huán)境，雖然不同環(huán)境下的老化對材料性質(zhì)研究已經(jīng)有很多，但是研究材料的電學(xué)性能與SI特性的工作卻十分少[12]-[16]。本文對PCB材料進(jìn)行了各種條件長時間的老化試驗，分別對比老化前后材料的Tg、Dk和Df參數(shù)，同時對上述幾種條件下的成品PCB上的傳輸線進(jìn)行了插入損耗的測量，得出了相應(yīng)結(jié)論。

2 實驗細(xì)節(jié)

為了解PCB材料老化對其電性能的影響，考慮到實驗的精確度和操作性這里使用的方法為業(yè)界比較認(rèn)可的SPDR方法測量電子材料的介電常數(shù)與損耗因子[17]。用于測試介電常數(shù)與損耗因子的樣品如圖2所示，為多張B階樹脂材料（半固化片）加熱加壓固化為C階材料，由于普通覆銅板在材料廠商已經(jīng)加工過一次已經(jīng)變?yōu)镃階樹脂，因此無法完全模擬在PCB加工中的狀態(tài)。同時半固化片形成的樣品均不含銅，因此還可以用于DSC（差示掃描熱分析）方法測試?yán)匣昂蟮腡g值。

圖2 無銅樣品，熱壓結(jié)束后再將離型膜去掉

另一方面，制作了成品PCB與上述C階樣品在同樣的環(huán)境下老化。為了研究外界環(huán)境老化對PCB上傳輸線的影響，PCB作為無源系統(tǒng)主要為芯片與各個模組提供連接與支撐，在高速設(shè)計里面更加關(guān)注其表現(xiàn)出來的S參數(shù)，根據(jù)S參數(shù)可以研究其插入損耗、回波損耗以及串?dāng)_等等。這里主要通過網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）測量PCB上的SDD21（插入損耗），所選用的機(jī)臺為安捷倫的Ageilent R5071C測試頻率點為14 GHz。實驗中設(shè)計的PCB樣品以及疊層結(jié)構(gòu)如圖3，為了研究普遍的性質(zhì)，這里研究了4款PCB常用的材料，分別命名為：A材料（玻纖增強改性環(huán)氧樹脂體系）、B材料（玻纖增強改性環(huán)氧樹脂體系）、C材料（玻纖增強改性聚苯醚樹脂體系）和D材料（玻纖增強改性聚苯醚樹脂體系）。

圖3 PCB樣品（a）設(shè)計截面示意圖，（b）實物俯視圖

實驗中使用的老化條件以及對應(yīng)的樣品數(shù)量（見表1）。

表1中所用到的烘箱為ESPEC公司產(chǎn)的PH-202，溫度設(shè)置為150 ℃；HAST（高加速沖擊試驗）為日本J-RAS公司生產(chǎn)的ECM-100/100-100是一種加速老化的陽離子遷移（CAF）試驗箱；溫度循環(huán)為WEISS公司生產(chǎn)的冷熱沖擊試驗箱，型號為WEISS-TS120。自然環(huán)境為自然存放于外界環(huán)境下作為對比，而冰箱為了模擬PCB在寒冷環(huán)境下的使用環(huán)境。主要實驗方法就是對比4種高速材料在5種環(huán)境中放置720 h，測介電常數(shù)（Dk）、介質(zhì)損耗因子（Df）、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）和信號完整性（SI）性能前后的差異。

2 實驗結(jié)果與討論

首先對4種材料的無銅樣品進(jìn)行了SPDR方法測量，測試的頻率為10 GHz，結(jié)果如圖4所示。從圖4（a）中不難得出，四種材料在老化720 h后變化比較小，變化最大的是材料A在高溫高濕條件下的變化達(dá)到0.2。

根據(jù)Rita.Roy和Ori Ishai等人的研究[15][17]，水分子可以通過下述途徑進(jìn)入復(fù)合材料；（1）通過纖維/基體間的界面（毛細(xì)作用）；（2）通過樹脂基體（擴(kuò)散）；（3）通過材料中的裂紋和孔洞。其中毛細(xì)作用比擴(kuò)散更突出。對于第3種途徑，其作用主要取決于材料中裂紋和孔洞的尺寸和分布，還取決于材料所受的應(yīng)力。通常復(fù)合材料吸濕僅限于基體吸濕，玻璃纖維或石墨纖維只吸很少量的水甚至在相對濕度較高的環(huán)境中也是如此。對實驗中的四種材料而言，樹脂吸濕后會引起體積膨脹、Tg下降、熱膨脹系數(shù)提高。隨著材料所處的環(huán)境條件及作用時間的不同，樹脂、玻璃纖維布還有填料的各相破壞均會引起復(fù)合材料的可逆或部分可逆的性能變化，其中可逆變化包括樹脂的塑化和溶脹，干燥后材料的性能可恢復(fù)，不可逆變化為纖維的破壞、基體裂紋等等，一旦發(fā)生不可逆變化則復(fù)合材料的性質(zhì)必定受到影響。通常情況下，吸濕不會引起復(fù)合材料軸向性能的明顯變化，而壓縮、層間/層間剪切等性能會發(fā)生明顯變化，高溫條件下更是如此。另外，吸收的水還會減弱氫鍵的作用，可作為成核劑誘發(fā)裂紋的產(chǎn)生并使之?dāng)U展，并且溫度升高沒有改變復(fù)合材料的老化機(jī)理，只是改變了復(fù)合材料的吸濕速度和平衡含濕量，進(jìn)而導(dǎo)致了其性能變化幅度的不同。在本文的實驗中，烘箱相比正常狀態(tài)僅僅改變了溫度，如前面分析高溫會影響復(fù)合材料的吸濕速度和平衡含濕量，因此在烘箱條件下Dk和Df值前后變化并不大。同時烘箱處于封閉環(huán)境，因此盡管無銅樣品已經(jīng)屬于C階樹脂，但是長時間的高溫仍然可以使一些大分子進(jìn)一步固化，因而Tg會稍有增加（見表2）。此處的烘箱并不是真空烘箱，還是有氧氣能夠參與反應(yīng)，因此外觀會有發(fā)黑以及顏色加深的情況。

表1 各種條件下的老化以及樣品數(shù)量

圖4 四種材料老化前后的介電性能（a）Dk的變化；（b）Df的變化

表2 四種材料HAST老化前后的Tg對比

在濕熱條件下，作用機(jī)理完全不同，樹脂吸濕之后會導(dǎo)致Tg下降。水的損耗因子約為75，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于復(fù)合材料整個系統(tǒng)的損耗因子，因此水分在進(jìn)入樹脂之后必然帶來損耗因子的上升，如圖4（b）所示。為了清晰得到上述老化機(jī)理，對各種老化條件的材料D進(jìn)行了紅外光譜測量，結(jié)果如圖5所示。圖中可以看出材料D在長時間高溫烘烤前后的特征峰發(fā)生了顯著變化，高溫長時間烘烤之后不飽和鍵已經(jīng)反應(yīng)成更穩(wěn)定的狀態(tài)，與前面所分析一致。

圖5 D材料在老化條件下的紅外光譜圖

需要特別說明的是，SPDR方法測試Dk的精度為0.03，而測試Df的精度為0.0003，因此本文的實驗結(jié)果也與前人的研究結(jié)果吻合，對于溫度循環(huán)、自然環(huán)境與冰箱條件下老化機(jī)理也類似，老化過程中重要的因子為溫度與水蒸汽以及樹脂的氧化。自然條件暴露的情況下受到水分影響較大，溫度循環(huán)與冰箱都處于密閉容器，因此受到的水分和氧化影響較小，由于機(jī)理相同便不再贅述?？偠灾?，溫度影響高分子的固化過程，同時能夠影響整個復(fù)合材料系統(tǒng)的吸濕速率和平衡；而水分能明顯增加復(fù)合材料的Df，降低材料的電學(xué)性能與Tg。

除此之外，實驗中還對比了不同條件下PCB傳輸線的插入損耗數(shù)據(jù)，由于溫度循環(huán)與冰箱、自然環(huán)境老化表現(xiàn)出來的類似，老化前后插入損耗變化并不大（見表3）。

表3中可以發(fā)現(xiàn)，四種材料在烘箱里老化720 h后均有一定的上升。而HAST條件下，四種材料都有所惡化，插入損耗變得更大。自然環(huán)境下的老化前后變化并不大。圖3中的設(shè)計和測試的插損為內(nèi)層數(shù)據(jù)。為了分析上述實驗現(xiàn)象，對PCB樣品做了切片，并在金相顯微鏡下觀察。

圖6中可以看出發(fā)黑的氧化層被玻纖布所阻擋，同時發(fā)現(xiàn)金屬也對老化層有阻擋作用。關(guān)聯(lián)到之前PCB的設(shè)計，為接地共面波導(dǎo)（GCPW）模型，即在傳輸線同層次還有參考銅面，因此老化從側(cè)面侵蝕也會被金屬進(jìn)一步阻礙。需要指出的是，上述能觀察到的只是氧化等影響到外觀的表現(xiàn)，而實際水分子侵蝕到何種程度是無法通過外觀直接判斷的。從材料的損耗因子與插入損耗結(jié)果可以斷定，水分子影響的程度比氧化以及其他老化要多，因此，老化對實際PCB影響僅僅限于水分的影響，其他的氧化等因素受到玻纖布和金屬“阻礙”影響十分有限，最后導(dǎo)致自然環(huán)境、溫度循環(huán)和冰箱變化并不大。對比烘箱和HAST條件，水分的不同才是導(dǎo)致插入損耗變化的關(guān)鍵。

表3 四種PCB材料老化前后的插入損耗對比（單位：dB/in）

圖6 老化侵蝕被玻纖阻擋切片

4 總結(jié)

本文對PCB材料進(jìn)行了各種條件長時間的老化，分別對比了老化前后材料的Tg、Dk和Df參數(shù)，同時對不同老化條件下的成品PCB上的傳輸線進(jìn)行了插入損耗的測量。測量的結(jié)果表明：

（1）長時間老化會使材料的Dk與Df有不同程度的惡化，其中烘箱影響最小，高溫高濕下惡化最嚴(yán)重；

（2）對老化前后的傳輸線進(jìn)行測試發(fā)現(xiàn)，雖然外表面被老化侵蝕，但由于玻璃布和金屬能夠阻擋老化，且傳輸線周圍的樹脂受到環(huán)境老化的影響有限，因此除高溫烘烤之外的其他老化對傳輸線的插入損耗會下降，而長時間的高溫烘烤能使材料中的樹脂固化的更加充分，最后導(dǎo)致插入損耗反而能夠提升。

根據(jù)上述結(jié)論，通過設(shè)計共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)或者金屬防護(hù)帶，以及控制加工過程中殘余水分能夠改善內(nèi)層走線的插損。