PCB线路板材测试与选择

2017-12-06 SMT贴片 576

一、完工板长期可靠度之评估

PCB线路板测试法IST,可用以快速评估出完工多层板的可靠度如何。其考试板之密集通孔系採用Daisy Chain之串连设计,试验时刻意对各通孔同步施加电流,在电阻作用下将产生150℃的高温,断电后又可回到室温,如此快速热循环之IST测试,可用代替传统性极为耗时的热循环试验〈通常需168小时以上)。试验结束后,计算考试板在电性失效前〈指电阻値增加10%,总共可以忍受热循环试验多少次数,即可当成通孔长期可靠度的一种指标。测试后当电阻値上升达10%而失效时,事实上从进一步的微切片上即可看到铜孔壁的微裂情。IST可评估出通孔镀铜之电性品质,颇能模拟PCB经过多次组装焊接升温曲线后的电性可靠度。

 

为了评估完工板Z轴热胀系数之下降,与Td在长期可靠度方面的关系,研究者曾对各种基材之性能进行比较。所选四种板材已事先经过筛检,以确定所测试的数据范围,确已能够涵盖现今市场上大部分板材的可靠度规范,而此四种板材的详细特性如表1所示。

 

首先,各待测试树脂是配合7628玻璃布所组成的基板,用以测定其CTE值,多层板常因不同的组合方式,而具有不同的CTE値。

 

A板材为Tg 175℃的FR-4传统性基材,而另一种Modified A板材除了Z轴热胀系数较低外,其馀特性皆与A相同。B产品之Z轴CTE与A产品相同,但其Td(350℃)却较A者Td(310℃为高;C产品的Z轴CTE较低,且其Td亦很高。上表中Tg前Z轴CTE又称α-1CTE,Tg后又称α-2CTE。

 

评估所用的考试板为厚0.105"的20层板,其通孔孔径0.012"。孔壁电镀铜层之目标厚度为1.01mil ,实际测量之平均厚度约在0.7-0.8 mil左右,最小厚度亦达0.6mil 。就一般认知而言PCB制作的变异,极可能会对这项测试造成影响,因此所有试样的流程皆刻意使之相同,以期能将製程误差减至最小。图15即显示完工板发生电性失效时,其所对应IST热循环次数的对比。图中三种颜色分别代表完工板全无预热处理、以及在230℃下预热3次和6次的对照情形。

 

PCBA加工


不同了Td的板材,其IST试验的结果也会出现明显差异。Td为310℃者,无法忍受200次以上的热循环试验。而相较之下,Td为350℃者,可忍受的热循环试验皆已超过500次。实验数据证实Z轴较小的基材,其电性可靠度也较佳,但影响程度却仍不及高Td者来得明显。此外,实验参数的设定范围必须尽可能的加以扩大,以证实降低Z轴CTE确实具有某些优点,同时也应测试各样品间Z轴CTE的差异。总结说来,在试验参数范围内,初步结果说明丁Td较高之材料,其可靠度改善的幅度也较大;至于Z轴CTE较低者,对可靠度虽确有助益,唯改善幅度较不显著而已。

二、抗CAF性

阳极性玻璃束漏电现象CAF为近年来对基板的研究重点,当电路板持续迈向密集组装而逼近其通孔之间距,与无铅焊接之热量增加时,CAF受到瞩目的程度也就愈大。本文并不打算深入探讨此漏电现象,然而,近来研究者发现,当FR-4基材中的硬化剂若放弃双氰胺配方Dicy的话,则其抗CAF性会较仍使用Dicy的基材为图四种板材在抗方面循环次数的比较佳。主要原因是Dicy极性较强,以致吸水性较大较快之故。B产品与C产品即为非Dicy硬化剂的基材,其抗CAF性就比含Dicy的A产品及其他同类板材来得优秀。图3爲一张以C产品所叠构组成的10层考试板,试验中刻意施加100VDC的偏压,并针对四种孔距,量测其高温高湿老化中其平均绝缘电阻値的对比,读者们清楚可见孔距愈近者其抗CAF的本领就愈差了。


六、电性因素

电性为新式基材所必须考量的另几项特性,尤其在高频领域中特别重要。如先前文所言,介质常数(Dk)与散失因素(Df)即为两项重要参数。耐热已改良之FR-4 基材,幸好在电性表现并未出现太大的劣化。研究者曾使用一种複杂的参数用以量测Dk及Df。表2系使用板条式之波导测量基材A、B、C及另两种竞争者板材的Dk测値,表3则为上述5种板材的Df测値。本次试验所用的基板是由2116玻璃布组成,其胶含量为50%by wt。

三、结论

就现况而言,电路板业界潮流驱使FR-4板材精益求精,其首要研发重点即为基材耐热性的改良,以及抗CAF性的提升。但却必须在不能危害其他物性(如电性)的情况下进行改善。当然,只单纯改良板材中的一两项物性其实并不困难,但若欲兼顾电路板制作稳定及成本考量,又还希望能兼善板材的整体特性者,则将很不容易。

 

其他归纳出来的结论尚可包括:

1、基材虽需明订Tg之规格,但其实已不足以应付无铅焊接的应用。

2、板厚Z轴CTE的降低,已确能改善基材的长期可靠度。

3、必须提升树脂的Td,以保証其耐热性。读者们由本文所叙述各种可靠度试验可知,基材之Td对其整体长期可靠度的影响已极为关键。


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