唐海波 萬里鵬 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，人們對高速傳輸、即時通訊等服務(wù)要求也越來越高，不僅體現(xiàn)在功能要求方面，對于畫面清晰度、傳輸速度等服務(wù)質(zhì)量也越來越苛刻。這對PCB板材提出了高頻（信號損耗少）高速（傳輸速度快）的要求，同時，高速PCB可靠性能夠滿足OEM貼裝過程中的無鉛回流焊條件，無表觀起泡、無內(nèi)部分層、樹脂空洞等缺陷產(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)量優(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)計結(jié)構(gòu)的不斷復(fù)雜以及對BGA孔壁間距要求的提升，對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，對板材可靠性提出了新的挑戰(zhàn)。

在封裝貼片尤其是無鉛焊接過程中，PCB板溫度變化過大，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)致樹脂與銅箔或樹脂與玻布發(fā)生分層。

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

對于樹脂與玻布間的分層，首要影響因素為板材玻布與樹脂間結(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

回流焊測試過程中，半固化片、芯板等常出現(xiàn)玻布與樹脂分層的缺陷。這是由于樹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)力超過玻纖與樹脂結(jié)合力時，則發(fā)生分層缺陷。對回流焊測試過程中樹脂與玻纖交界面內(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

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

圖3 回流焊過程中尺寸變化

假設(shè)：

整體區(qū)域較小，回流焊過程中該區(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分別為樹脂、玻布的應(yīng)變量，E1、E2分別為樹脂、玻布的彈性模量，σ1、σ2分別為樹脂、玻布的內(nèi)應(yīng)力；

銅、玻布及樹脂的熱膨脹系數(shù)為C銅、C玻布、C樹脂。

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，同時兩邊內(nèi)應(yīng)力平衡，則[2]

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

4 研究過程

4.1 研究對象

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，下面對該三種情況設(shè)計了不同疊構(gòu)進(jìn)行了研究。

4.2.1 不同P片組合（T板料）

設(shè)計一款24L對稱結(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)計一款22L，對稱結(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)計一款24L，對稱結(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)計下的兩種材料內(nèi)、外層的升溫速度、固化時間以及轉(zhuǎn)壓點(diǎn)等均滿足板材固化要求，層壓生產(chǎn)過程滿足要求。

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，說明層壓過程中，兩種板料均固化完全。

5.2 鉆孔

三種設(shè)計下的兩種材料均采用其對應(yīng)的鉆孔參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，孔壁質(zhì)量見表8。

由表8可以看出，三種結(jié)構(gòu)設(shè)計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，說明鉆孔過程滿足要求。

5.3 回流焊測試條件

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

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

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，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，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回流焊測試結(jié)果

查閱1067、1078和1080該三種半固化片對應(yīng)的玻布、樹脂厚度，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)超過了半固化片玻布/樹脂厚度比，則1067 半固化片在玻布與樹脂交界面發(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，回流焊測試過程中，芯板玻布與樹脂發(fā)生分層，無法滿足可靠性要求。68.6 μm/68.6 μm芯板厚度為0.1 mm（3313Y×1，疊構(gòu)4）時，回流焊測試過程中，未發(fā)現(xiàn)有芯板中玻布與樹脂分層等缺陷，滿足可靠性要求。

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

該種結(jié)構(gòu)設(shè)計下，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。在回流焊測試過程中，68.6 μm線路相對區(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，回流焊測試過程中，玻布與樹脂發(fā)生分層，無法滿足可靠性要求。替換68.6 μm/68.6 μm 0.1 mm Core為3313×1（普通玻布，疊構(gòu)6）時，回流焊測試過程中，未發(fā)現(xiàn)有玻布與樹脂分層等缺陷，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，在回流焊過程中玻布與樹脂所受內(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）回流焊過程中，玻纖布、樹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，玻布與樹脂厚度比值較大的普通半固化片在回流焊過程中玻布與樹脂間的內(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)致回流焊測試過程中玻布間分層。

[1]黃國有. 開纖電子布的特征及其對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,海峽兩岸競爭激烈[J].玻璃纖維, 2004,2:37-40.