高頻高速板材于通信產(chǎn)品的需求及可靠性研究

鐘國賓

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東廣州，510663）

0 引言

通信系統(tǒng)產(chǎn)品的發(fā)展方向就是高頻高速，在進(jìn)行設(shè)計(jì)系統(tǒng)產(chǎn)品單板期間，重要基礎(chǔ)就是PCB，為了達(dá)到高密度的發(fā)展需求，應(yīng)該確保通信系統(tǒng)產(chǎn)品的應(yīng)用年限超過十年，而且具備較高的可靠度。而且通信產(chǎn)品單板的電子裝聯(lián)已經(jīng)處于無鉛時(shí)代發(fā)展背景中。為了實(shí)現(xiàn)無鉛SMT焊接工藝要求，在板材焊接的耐熱方面，具有更高的標(biāo)準(zhǔn)，所以應(yīng)該采取科學(xué)的舉措，積極的評(píng)價(jià)板材工藝設(shè)計(jì)性能。

1 通信系統(tǒng)產(chǎn)品對(duì)高頻高速板材的技術(shù)要求

在介電常數(shù)的影響因素及現(xiàn)狀方面，高頻高速化PCB特性、板材介電特性通常是體現(xiàn)于三個(gè)方面的關(guān)系。第一，存在較小的傳輸損失、短暫的傳輸延遲時(shí)間、信號(hào)傳輸失真小；第二，介電特性優(yōu)越，介質(zhì)損失角正切性tanδ（Df）。此介電特性需要在改變環(huán)境（頻率、濕度、溫度等）的情況下依然保持穩(wěn)定；第三，特性阻抗高精度控制。PCB用板材的高頻高速特性，密切的關(guān)聯(lián)于多種組成材料，其中最主要的就是樹脂、增強(qiáng)材料、銅箔等，同時(shí)也跟工藝條件等具有一定的關(guān)聯(lián)性。

按照IPC（國際電子工業(yè)聯(lián)接協(xié)會(huì)）提出的報(bào)告內(nèi)容，遵循板材的Df（介質(zhì)損耗）大小可以分成不同的等級(jí)，一共是七種。此分類表發(fā)布以來，電子產(chǎn)品、板材行業(yè)發(fā)展歷經(jīng)的十多年之久，世界范圍內(nèi)的各板材廠家也在不斷的豐富發(fā)展著產(chǎn)品的種類、產(chǎn)品的性能。松下Megtron系列高速板材屬于高速板材行業(yè)技術(shù)引領(lǐng)者，其都有各類等級(jí)產(chǎn)品的發(fā)布。中國臺(tái)灣廠家的高頻高速板材技術(shù)發(fā)展迅猛，中損、超低損耗產(chǎn)品都有所發(fā)布，性能較好。國內(nèi)包括生益科技、華正、上海南亞等板材廠家，也在發(fā)布中損等級(jí)板材型號(hào)，而且在積極的開發(fā)研究更高規(guī)格等級(jí)的產(chǎn)品。高頻高速板材樹脂類型及對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品如圖1。

圖1 高頻高速板材樹脂類型及對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品

另外，通信系統(tǒng)產(chǎn)品PCB具備更加復(fù)雜化的設(shè)計(jì)要求，應(yīng)用場景不盡相同，需要PCB具有不同的設(shè)計(jì)需求。例如，25G高速產(chǎn)品中，設(shè)計(jì)需求就是疊層16-24層，陣列孔需要具有超過0.8mm的間距，2OZ內(nèi)層厚銅，板厚度是2.4-3.0mm，PCB外形控制不超過500mm的尺寸之中；射頻產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需求就是，2-6層的疊層，陣列孔是0.8mm的間距，板厚1.6-2.4mm，外形尺寸不超過500mm；56G高速產(chǎn)品中，設(shè)計(jì)需求是疊層24-34層，陣列孔是超過0.7mm的間距，2OZ內(nèi)層厚銅，板厚度是3-4mm，外形尺寸大概是600mm。

2 高頻高速板材工藝可靠性測試研究

2.1 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)板

板材工藝可靠性測試期間，應(yīng)該建立在相應(yīng)產(chǎn)品的需求基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)板，而且確保實(shí)驗(yàn)板對(duì)產(chǎn)品用的關(guān)鍵設(shè)計(jì)信息包含，諸如明確好疊層、板厚、密集孔陣列規(guī)模以及孔間距、內(nèi)層銅厚、外形大小等等。表面圖形設(shè)計(jì)，主要是在銅箔剝離力以及漲縮等滿足性測試及熱應(yīng)力、溫循等長期可靠性測試的模塊中進(jìn)行應(yīng)用。

2.2 測試方案

按照各產(chǎn)品的應(yīng)用場景，聯(lián)系起PCB設(shè)計(jì)的需求，考慮到行業(yè)應(yīng)用較多的IPC標(biāo)準(zhǔn)，制定高頻高速板材工藝可靠性測試要求。包括：前處理，實(shí)施濕熱老化測試、無鉛回流焊（耐焊接熱）測試，驗(yàn)收的要求就是無分層以及起泡等缺陷；符合性測試，展開銅箔剝離強(qiáng)度測試（驗(yàn)收要求即＞0.7N/mm）、介質(zhì)耐電壓（安規(guī)要求）測試（驗(yàn)收要求即無飛弧或擊穿）、偏移量測量測試（驗(yàn)收要求即≤127.0μm）；保障基于不同的PCB設(shè)計(jì)要求前提下不同等級(jí)高頻高速板材達(dá)到通信產(chǎn)品十年應(yīng)用年限的要求，特別是對(duì)于密集孔設(shè)計(jì)能力，落實(shí)熱應(yīng)力測試（驗(yàn)收要求沒有爆板、分層、銅皮剝離等缺陷）、耐潮濕與絕緣電阻測試（絕緣電阻值≥100MΩ）、陽極玻纖紗漏電（絕緣電阻要求至少≥100MΩ，500 h）等測試。

2.3 IST機(jī)理及失效案例

IST也被稱作是直流電感應(yīng)熱循環(huán)測試，通常實(shí)施菊花鏈型交錯(cuò)的內(nèi)測連接 線相連起孔壁。導(dǎo)通電阻設(shè)置的區(qū)間范圍0.15Ω-1.5Ω，以加入進(jìn)直流通電的模式，在三分鐘之內(nèi)，提升銅面的溫度到指定范圍，之后兩分鐘內(nèi)進(jìn)行降溫到室溫狀態(tài)（強(qiáng)制性），對(duì)于兩個(gè)阻值采取四線端子測量，一個(gè)循環(huán)的時(shí)間是5分鐘，如果結(jié)果失敗，則顯示阻值在10%之上。測試期間，設(shè)備進(jìn)行實(shí)際溫度的監(jiān)控時(shí)，主要是經(jīng)目標(biāo)電阻和熱阻系數(shù)、溫度的關(guān)系實(shí)現(xiàn)的。

第一個(gè)失效案例為以下：某56G高速板材，IST實(shí)驗(yàn)在測試孔區(qū)域間距0.80mm/1.00mm。實(shí)驗(yàn)板五次無鉛再流焊光板過爐后，IST測試250個(gè)循環(huán)過程中，測試鏈路鏈接電阻超過了百分之十，結(jié)果發(fā)現(xiàn)增加了菊花鏈設(shè)計(jì)孔電阻，測試孔孔壁單點(diǎn)開裂，如下圖2。分析切片，此孔壁斷裂處，出現(xiàn)黑色異物情況（電鍍銅包絡(luò)），電鍍線延伸的方向就是異物方向。所以，了解到由于實(shí)驗(yàn)板鉆孔后并沒有嚴(yán)密的清潔處理好孔內(nèi)異物，電鍍制程包圍了異物導(dǎo)致孔銅、板材IST加熱交替循環(huán)期間裂縫的現(xiàn)象。

圖2 IST測試孔壁開裂

第二個(gè)失效案例為以下：某射頻板材，IST實(shí)驗(yàn)間距1.00 mm，IST測試150個(gè)循環(huán)過程中測試鏈路鏈接電阻在百分之十以上，如下圖3所示。切片分析以后，發(fā)現(xiàn)孔壁電鍍銅裂紋。鉆孔孔壁存在過度的膠咬蝕問題、嚴(yán)重的玻纖突出情況，沉銅電鍍以后產(chǎn)生鍍銅突出孔壁，迅速的改變IST測試的高低溫，此部位集中了漲縮變形應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致孔壁裂紋。此射頻板材屬于碳?xì)潴w系樹脂，鉆孔、除膠可加工性理想，但是廠家不同所采取技術(shù)各具差異。對(duì)此實(shí)驗(yàn)板PCB加工過程進(jìn)行復(fù)查，實(shí)施了較大除膠速率，除膠期間樹脂攜帶孔壁周圍空心球填料的因素導(dǎo)致玻纖突出，所以不對(duì)于板材配方設(shè)計(jì)的調(diào)整基礎(chǔ)上，進(jìn)行除膠工藝的科學(xué)改善和優(yōu)化，實(shí)施等離子除膠法可以顯著降低孔壁能量沖擊，防范玻纖突出現(xiàn)象。

圖3 IST測試孔壁裂紋

IST屬于權(quán)威的測試方法，可以對(duì)于高多層復(fù)雜PCB制造能力上的板材的耐熱、CTE匹配性等展開全面的評(píng)價(jià)，應(yīng)該科學(xué)的應(yīng)用于板材測試方面，對(duì)于測試數(shù)據(jù)展開嚴(yán)密的分析。

3 結(jié)語

對(duì)于板材工藝可靠性評(píng)估期間，找到不同應(yīng)用場景中的各類板材的設(shè)計(jì)能力保障PCB板廠具有批量可加工性，屬于研究重點(diǎn)。應(yīng)該盡最大努力依照產(chǎn)品應(yīng)用場景以及相應(yīng)的PCB設(shè)計(jì)特點(diǎn)，事項(xiàng)合理的、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?、有梯度的落?shí)驗(yàn)證板材的工藝可靠性工作，充分的掌握住各類板材最佳設(shè)計(jì)能力。一方面避免過設(shè)計(jì)、引入未發(fā)現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，另一方面促使高質(zhì)量的開發(fā)高頻高速板材的產(chǎn)品，將通信系統(tǒng)產(chǎn)品成本增加，將產(chǎn)品質(zhì)量水平提升，增強(qiáng)整體的競爭實(shí)力。