高热可靠性高CTI覆铜板的开发与性能研究

方克洪 徐 莹（广东生益科技股份有限公司 国家电子电路基材工程技术研究中心，广东 东莞 523808）

高热可靠性高CTI覆铜板的开发与性能研究

方克洪 徐 莹
（广东生益科技股份有限公司 国家电子电路基材工程技术研究中心，广东 东莞 523808）

文章通过树脂体系的改进，开发一种新型的高热可靠性的高CTI板材，并重点介绍板材开发中的设计思路、板材性能以及多层板应用情况。

层压板；高漏电起痕指数；耐热性；多层板

1 前言

随着科技的发展，人类生活的安全性越来越受到社会的广泛关注，为了提高电子产品的安全可靠性，特别印制电路板是在潮湿、易污染环境条件下使用的绝缘可靠性，具有高漏电起痕指数（CTI）的覆铜板也就应运而生，并得以广泛应用［1］［2］；但随之电子电器产品日趋多功能化与高性能化，印制电路的线路更为复杂密集，层数也由双面向多层化方向发展，另外，在无铅化浪潮的推动下，原有的元件焊接工艺被无铅焊接工艺取代，焊接温度比以前高出20 ℃以上；由于无铅焊接温度的提高及多层板的应用，对覆铜板材料的耐热性和可靠性均提出更高的要求［3］。

对于常规高CTI的FR-4板材来说，树脂采用胺固化［4］-［6］，板材存在耐热性低、易吸湿与耐化学性不足等特点，难以满足多层板加工与无铅焊接的需要，改善这类材料的不足点，提升板材的性能，将有利于增强高CTI板材的适应性，拓展其应用空间。

2 开发思路

材料的漏电起痕是指在绝缘表面有电位差的部位形成碳化导电通路使之失去绝缘性能的现象，并且可以导致电痕破坏。当高分子绝缘材料表面受到带正负离子溶液污染物的污染时，在外加一定电压作用下，其表面的泄漏电流大大增加，泄漏电流所产生的热量增加，加快了潮湿污染物的蒸发速度，使高分子材料表面形成不均匀的干燥带，干燥带位置使得表面电阻增大，这样电场就变得不均匀，进而产生闪络放电，在电场和热的共同作用下，促使绝缘材料表面碳化，碳化物电阻小，促使施加电压的电极尖端形成的电场强度增大，因而更容易发生闪络放电。如此恶性循环，直到引起施加电压的电极间表面绝缘破坏，形成导电通道，产生漏电起痕。

电痕化过程中，炭的生成和挥发的平衡是影响CTI的关键。在电痕化时，树脂发生炭化，基板表面的炭含量在增加，同时，炭发生有焰或无焰燃烧生成CO或C02气体，从基板表面逸出。但炭的堆积会降低电极间的绝缘程度，为改善这一现象，常规高CTI 的FR-4板材会引入大量的氢氧化铝，利用其易分解产生水汽挥发并带走碳化物的特点，从而达到提升高FR-4板材CTI的效果。由于氢氧化铝在高温230 ℃左右时会开始脱去结晶水［7］，加之胺固化下的溴化环氧体系的热分解温度也不高［8］，从而使得常规高CTI板材存在整体耐热性偏低现象。

为了改善常规高CTI板材耐热性不佳问题，在树脂体系的研究中，固化剂采用耐热性高的酚醛树脂，弃用氢氧化铝，避免材料固有的短板；由于酚醛树脂的使用，会导致板材在电痕化时更易碳化，不利达到高CTI，为此，通过对其材料结构特点分析，采用低残碳率的树脂组合，并在CTI、阻燃与耐热性能上取得较好的平衡。

3 实验

3.1 原材料

溴化环氧树脂，工业品，陶氏化学公司；多官能环氧树脂，工业品，迈图化学公司；线性酚醛树脂，工业品，韩国Kolon化学公司；固化助剂，工业品，进口；富氧类无机填料，工业品，国产；7628电子级无碱玻璃布，工业品，国产；电解铜箔，工业品，苏州福田铜箔有限公司。

3.2 覆铜板的制备

按配方将环氧树脂、线性酚醛、固化助剂、填料及溶剂加入容器中，搅拌溶解并熟化，制成胶液。用胶液浸渍经偶联剂处理的电子级玻璃布，再160 ℃的烘箱条件烘烤4 min ～ 5 min，制成7628半固化片。

将8张7628半固化片叠合，上下各配上厚34.3 μm的电解铜箔，再夹上镜面钢板，放入真空层压机中层压，压力2.94 MPa，固化条件为180 ℃、60 min。

3.3 多层板的制备

采用上述相同的胶水，在立式上胶机拉制7628 与2116粘结片，并压制单张7628配料的两面覆有厚34.3 μm铜箔的芯板，按PCB生产工艺加工制作八层板，配料结构为18 μm厚铜箔+7628+芯板+2*2116+芯板+2*2116+芯板+7628+18 μm厚铜箔。

3.4 测试方法

覆铜板的比漏电起痕指数（CTI）则采用IEC 60112标准；其他性能测试均采用IPC-TM-650标准，对于吸水率测试的处理条件为压力锅蒸煮；多层板的测试采用先进行无铅回流焊，再对板材作微切片显微观察。

4 结果与讨论

4.1 板材的基本性能

与常规高CTI板材比较，新研制板材的CTI也达到600 V水平，玻璃化转变温度在140 ℃以上，其他性能如粘结性、机械强度及阻燃性也基本相当。

表1 板材的基本性能

4.2 耐热性能

耐热性指材料在受热的条件下仍能保持其优良的物理机械性能的性质，作为覆铜板而言，热分解温度与分层时间是表征其耐热的重要指标，热分解温度越高，分层时间越长，材料的耐热性能就越好，这对于高温的无铅焊接而言，是非常有利的。

从结果看，新型高CTI板材的热分解温度比常规的要高出40 ℃，T-288分层时间要高出25 min，显示板材具备更高的耐热特性。

图1 板材的热分解温度

4.3 热膨胀率

从复合材料的角度分析，树脂与玻璃纤维热膨胀是不一致的，降低树脂的热膨胀率，将有利于减少树脂与玻纤之间由于应力而产生脆裂现象，从而改善板材在高温热冲击下的可靠性。

图2 板材的分层时间

表2 板材的热膨胀系数

新型高CTI板材从结果看，其Tg前后的热膨胀系数均小于常规高CTI板材，特别是Tg的后热膨胀系数更为明显，30 ℃ ～ 260 ℃的热膨胀系数只有3.7%，比常规的低出18%。

4.4 吸湿性

制作印制电路时，覆铜板材料将经受高温高湿的处理条件，特别是在化学药水的共同作用下，水分子将更易进入板材中，导致在后期的板材热加工时、由于水份逸出而产生的可靠性问题，因而，降低板材的吸湿性也是板材性能追求的方向［9］。

为了加速板材的吸湿，测试采用压力锅蒸煮的方法，再测其吸水率，结果显示新型高CTI板材的具有相对低的吸湿特性，并且在吸湿后，还可以经受5 min的浸锡288 ℃的热冲击。

图3 板材的高压锅处理后吸水率

4.5 多层板的热可靠性

新型高CTI材料采用印制电路板的正常生产工艺加工八层板，多层板厚度为1.6 mm，布置有密集BGA孔、散热孔与无内层焊盘导通孔，其中孔径为0.3 mm，孔壁间距分别有0.35 mm、0.5 mm与0.7 mm。

八层板的耐热测试采用5次无铅回流焊条件，峰温为258 ℃，217 ℃以上的停留时间不少于117 s。微切片的结果显示各种测试孔均无出现分层或爆板现象。

图4 孔壁间距0.35mm的BGA孔微切片

图5 孔壁间距0. 5mm的BGA孔切片

5 结论

采用耐热性高的酚醛树脂以及弃用氢氧化铝等手段，加之对CTI特性与其他性能的平衡性把握，制成的新型高CTI板材在耐热性及可靠性上均有明显的提升，综合性能也表现良好。

这一板材的研究成功，提升了高CTI材料的可靠性，及时地满足市场对材料性能的新要求，也符合全球电子无铅化与高性能化的大方向，必将促进我国电子行业迈向更加高端。

［1］曾昭峰，齐方良，郑国渠. 提高FR-4覆铜板相比漏电起痕指数的研究［J］. 中国材料科技与设备，2007，3：69-70

［2］陈晓鹏， 姜晓亮. 纸基覆铜板耐漏电起痕指数影响因素的试验分析［J］. 印制电路信息， 2014，9：15-17，43.

［3］祝大同. 对适应无铅化F R-4型覆铜板性能的探讨（上） ［J］. 印制电路信息，2005，8：23-30.

［1］朱学文. 覆铜板用基材CTI提升［J］. 覆铜板资讯，2006， 3：17-19.

［2］Hsien-Tang Chiu， Ming-Feng Cheng. Study of Comparative Tracking Index on BrominatedEpoxy and Its Application in Copper Clad Laminates［J］. Journal of applied polymer science， 2006， 101（5）：2814-2818.

［3］黄活阳，林仁宗，吴永光. 印刷电路覆铜板用高CTI环氧树脂组合物［P］.中国，102382420A［P］. 2010， 09，06.

［4］王碧武，李杰，杨虎，等. 覆铜板用电子级氢氧化铝［J］. 中国阻燃， 2012，2：24-27.

［5］辜信实. 无铅FR-4覆铜板的开发［J］. 印制电路信息， 2005， 7：18-20.

［6］胡新星，孙丽丽，刘丰，等. 印制电路板分层问题研究［J］. 印制电路信息， 2013， 7：22-26.

方克洪，高级工程师，研发组长，主要从事覆铜箔层压板的技术研究与产品开发工作。

The development and performance research of high thermal reliability high CTI Copper Clad Laminate

FANG Ke-hong XU Ying

With the improved resin system， the type of thermal reliability high CTI laminate has been development. The design ideas of development， laminate performance and multilayer applications were introduced.

Laminate； High CTI； Thermal Reliability； Multilayer Board

TN41

：A

：1009-0096（2015）10-0042-03