叠层结构对高速板材PCB可靠性影响研究

2014-05-31唐海波万里鹏任尧儒

印制电路信息 2014年4期

唐海波万里鹏吴爽任尧儒

（东莞生益电子有限公司，广东东莞 523039）

1 背景

随着通讯行业逐步发展，人们对高速传输、即时通讯等服务要求也越来越高，不仅体现在功能要求方面，对于画面清晰度、传输速度等服务质量也越来越苛刻。这对PCB板材提出了高频（信号损耗少）高速（传输速度快）的要求，同时，高速PCB可靠性能够满足OEM贴装过程中的无铅回流焊条件，无表观起泡、无内部分层、树脂空洞等缺陷产生。

扁平玻璃布板材作为高频高速板材中的一部分，具有整体均匀性好、表面平滑、尺寸稳定、机械加工质量优良及电性能突出等优点（图1和表1）[1]，受到了CCL、PCB和OEM制造商的青睐。

图1 普通玻布（a）和扁平玻布（b）平面图

表1 玻布性能对比

为保证高速板材在高端PCB上的使用性能，尤其是具有优异加工性能的扁平布板材，需对其耐热可靠性进行研究。

2 难点分析

高频板材广泛应用于高多层板，随着客户设计结构的不断复杂以及对BGA孔壁间距要求的提升，对板料的可靠性提出了更高的要求。尤其是BGA区域多层厚铜结构的存在，对板材可靠性提出了新的挑战。

在封装贴片尤其是无铅焊接过程中，PCB板温度变化过大，极易在BGA区域的厚铜位置或厚铜旁的半固化片产生较大的内应力，导致树脂与铜箔或树脂与玻布发生分层。

树脂与铜箔间结合力提升是改善树脂与铜箔间分层最有效的方法，但树脂体系及铜箔类型的固定，导致改善空间极小。

对于树脂与玻布间的分层，首要影响因素为板材玻布与树脂间结合力，在内应力较大的位置应避免采用可靠性较差的半固化片或芯板。

3 半固化片分层理论分析

回流焊测试过程中，半固化片、芯板等常出现玻布与树脂分层的缺陷。这是由于树脂与玻布在热作用下，两种材料发生膨胀，但膨胀系数相差较大，在交界面处产生内应力。当内应力超过玻纤与树脂结合力时，则发生分层缺陷。对回流焊测试过程中树脂与玻纤交界面内应力分析如下：

如图2所示，假设半固化片层中纯树脂厚度为2l1，玻布厚度为2l2，两边为孔壁铜。

图2 半固化片结构示意图

在回流焊过程中，孔壁铜、树脂、玻纤等均会由于受热发生膨胀，由于三种材料热膨胀系数存在较大的差异，同时孔壁铜的固定作用，整体膨胀量固定，导致树脂与玻布交界处产生内应力。

图3 回流焊过程中尺寸变化

假设：

整体区域较小，回流焊过程中该区域温度变化量一致，均为ΔT；

材料内应力产生的应变为弹性应变，μ1、μ2分别为树脂、玻布的应变量，E1、E2分别为树脂、玻布的弹性模量，σ1、σ2分别为树脂、玻布的内应力；

铜、玻布及树脂的热膨胀系数为C铜、C玻布、C树脂。

那么，为维持半固化片与孔壁一样的变化量，则

那么应变是由于内应力产生，同时两边内应力平衡，则[2]

由式（3）可以看出，在回流焊过程中树脂与玻布之间产生的应力与温度变化量（ΔT）、玻布与树脂厚度比（l2/l1）相关，温度变化量（ΔT）和玻布与树脂厚度比（l2/l1）越大，则内应力越大。

4 研究过程

4.1 研究对象

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。

其它主要及辅助物料均为生产线正常物料。

4.2 研究方案

在叠层结构设计中，包括半固化片组合、芯板厚度以及相同芯板厚度下，不同半固化片组合等多种情况，下面对该三种情况设计了不同叠构进行了研究。

4.2.1 不同P片组合（T板料）

设计一款24L对称结构考试板，成品板厚3.2 mm，最小BGA Pitch为0.8 mm，矩阵大小40×40，两种叠层结构对比验证。L3/L4、L9/L10、L15/L16和L21/L22层采用不同半固化片组合，叠构1采用1067×2的P片组合，叠构2则采用1080+1078的半固化片组合。

4.2.2 不同厚度芯板（T板料）

设计一款22L，对称结构，厚度3.0 mm，最小BGA pitch 0.8mm，BGA矩阵大小40×40，铜厚68.6 μm/68.6 μm芯板与铜厚68.6 μm/68.6 μm芯板相邻的考试板。L10/L11和L12/L13层，叠构3采用铜厚68.6 μm/68.6 μm 1080×1（RC 64%）0.075 mm Core，叠构4则采用铜厚68.6 μm/68.6 μm 3313×1（RC 56%）0.1 mm Core。

4.2.3 不同结构芯板（S板料）

设计一款24L，对称结构，厚度3.2 mm厚度，最小BGA pitch 0.8 mm，BGA矩阵大小40×40，内层有铜厚68.6 μm/68.6 μm芯板的考试板。L10/11和L12/13的两张铜厚68.6 μm/68.6 μm，0.10 mm的芯板，叠构5采用2313×1制作，叠构6则采用3313×1压合而成。

5 结果与分析

5.1 层压

5.1.1 料温曲线

由表2～表4可知，三种设计下的两种材料内、外层的升温速度、固化时间以及转压点等均满足板材固化要求，层压生产过程满足要求。

表2 不同P片组合T板料料温曲线

表3 不同厚度芯板T板料料温曲线

表4 不同结构芯板S板料料温曲线

5.1.2 固化品质

由表5～表7可知，三种设计下的两种板料层压后固化品质（Tg、ΔTg、T260和CTE等）均满足相应板材及高Tg固化要求，说明层压过程中，两种板料均固化完全。

5.2 钻孔

三种设计下的两种材料均采用其对应的钻孔参数进行生产，孔壁质量见表8。

由表8可以看出，三种结构设计下的两种材料的孔壁质量均满足孔粗≤30 μm，晕圈≤100 μm，灯芯≤76 μm，钉头≤1.76的要求，说明钻孔过程满足要求。

5.3 回流焊测试条件

同一板材采用相同回流条件进行回流，实测板面温度结果见表9。

由表9可以知道，方案1和方案3回流焊测试过程中板面温度均满足峰温260 ℃±5 ℃，217 ℃以上时间120 s ～ 150 s，255 ℃以上时间20 s ～ 30 s的无铅回流焊接要求，方案2板面温度满足峰温260 ℃±5 ℃，217 ℃以上时间60 s ～ 150 s的无铅回流焊接要求。

5.4 回流焊结果

5.4.1 不同半固化片组合（T板料）

由图4可以看出，采用叠构1（L3/L4、L9/L10、L15/L16和L21/L22层采用1067×2的半固化片组合）时，0.8 mm Pitch/0.3 mm取刀的BGA区域的L9/10及L15/16层间半固化片树脂与玻纤布发生分层。采用叠构2（替换L3/L4、L9/L10、L15/L16和L21/L22层半固化片为1080+1078的半固化片组合）时，未发现有分层现象发生。

图4 T板料 0.8 mm Pitch/0.3mm取刀BGA回流焊测试结果

查阅1067、1078和1080该三种半固化片对应的玻布、树脂厚度，则l2/l1依次为1.22、0.92和1.46。由式（3），在温度变化量（ΔT）一定的条件下，三种半固化片的耐热可靠性为1080＞1067＞1078。

表5 不同P片组合（T板料）固化品质

表6 不同厚度芯板（T板料）固化品质

表7 不同结构芯板（S板料）固化品质

表8 孔壁质量

表9 回流焊板面温度

在使用过程中，1067×2的半固化片组合整体厚度仅有5.0 mil，而1080+1078厚度为7.0 mil，在相同回流焊条件下，1067×2组合的温度变化量ΔT要大于1080+1078的组合，温度差影响远远超过了半固化片玻布/树脂厚度比，则1067 半固化片在玻布与树脂交界面发生分层。

那么，后续生产需注意以下两点：

（1）在相同温度变化量下，玻布与树脂厚度比值较大的普通玻布（1080）半固化片耐热可靠性要优于扁平开纤布（1078、1067）半固化片[3]；

（2）耐热可靠性要求较高的位置，应尽量采用玻布较厚的半固化片，降低该区域温度变化量，减小半固化片树脂与玻布内应力。

5.4.2 不同厚度芯板（T板料）

由图5可以看出，68.6 μm/68.6 μm芯板厚度为0.075 mm（1080Y×1，叠构3）时，回流焊测试过程中，芯板玻布与树脂发生分层，无法满足可靠性要求。68.6 μm/68.6 μm芯板厚度为0.1 mm（3313Y×1，叠构4）时，回流焊测试过程中，未发现有芯板中玻布与树脂分层等缺陷，满足可靠性要求。

图5 T板料0.8mm Pitch/0.3mm取刀BGA回流焊测试结果

该种结构设计下，68.6 μm/68.6 μm芯板与68.6 μm/68.6 μm芯板相邻，且68.6 μm铜均为线路设计。在回流焊测试过程中，68.6 μm线路相对区域易因温度变化而产生应力。叠构3的条件下，68.6 μm/68.6 μm芯板厚度仅为0.075 mm，温度变化值（ΔT）要高于叠构4下的0.1 mm 68.6 μm/68.6 μm芯板温度变化值。根据公式（3）可以知道，叠构3下芯板中玻布与树脂交界面的内应力要高于叠构4下的界面应力，导致叠构3下芯板分层，而叠构4下芯板未有缺陷发生。

5.4.3 不同结构芯板（S板料）

由图9知道，68.6 μm/68.6 μm 0.1 mm Core采用2313×1（扁平玻布，叠构5）时，回流焊测试过程中，玻布与树脂发生分层，无法满足可靠性要求。替换68.6 μm/68.6 μm 0.1 mm Core为3313×1（普通玻布，叠构6）时，回流焊测试过程中，未发现有玻布与树脂分层等缺陷，满足可靠性要求。

图6 S板料0.8mm Pitch/0.3mm取刀BGA回流焊测试结果

查阅3313和2313该两种玻布厚度均为0.0825 mm，在回流焊过程中玻布与树脂所受内应力一致。但由于该两种玻布类型（正常布和扁平布）存在较大差异，在耐热可靠性上也有较大区别。

由图7可以看出，扁平玻布（2313）较为平坦，纱束间距较小，普通玻布（3313）纱束间存在一定间距。在浸胶过程中，2313玻布（扁平玻布）同一纱束中玻纱间距较3313玻布（普通玻布）大，提升了纱束的浸胶效果。但经纱与纬纱接触面积较大，交界面的浸胶效果大大降低，导致2313玻布（扁平玻布）整体耐热可靠性降低，在2313半固化片的经纱与纬纱交界面发生分层。