材料搭配及叠层结构对混压PCB可靠性的影响研究

2024-02-27唐海波李逸林张志远

印制电路信息 2024年1期

唐海波李逸林张志远

（生益电子股份有限公司，广东东莞 523127）

0 引言

5G 通信技术发展正在快速推动社会信息化的变革，5G 的全面建设对通信用印制电路板（printed circuit board，PCB）产业影响巨大，通信基站的大规模升级换代将形成海量的PCB 需求。据相关机构预测，5G 的市场空间将会是4G 的3～4 倍［1］。为满足5G 高速和大容量的传输要求，高速材料的需求也呈爆发式增长。

基于低损耗、高层数和高可靠性的应用需求，高端材料有采用聚苯醚（polypheylene ether/polyphenylene oxide，PPE/PPO）及其复配体系树脂，同时越来越多的材料选择搭配低Dk玻璃布和超低轮廓铜箔（hiper very low profile，HVLP），从而使材料成本在PCB 中的占比越来越高。在高速PCB 的非高速信号层或者信号完整性要求相对较低的层别中，使用高级别的材料对实际产品应用是性能过剩的。因此，随着成本压力的增加，越来越多的客户开始考虑在高层数的高速PCB 中采用高速板材与低级别材料混压的搭配方式，这样既保证了PCB 的整体性能不受影响，又达到了降低PCB成本的目的。

然而，不同材料混压兼容性的问题制约了该应用的推广。前期混压研究表明，混压的叠层结构与交界面的半固化片（prepreg，PP）设计均对混压PCB 的可靠性有影响，但对于其影响规律缺少系统的研究。

1 原理分析

根据前期的混压试验研究和行业相关资料查询，可能会影响不同材料混压耐热可靠性的鱼骨图的分析如图1所示。

图1 混压可靠性影响分析鱼骨图

公司前期的混压研究结果显示，材料加工过程不是影响混压可靠性的关键因素。叠层设计上，FR-4 在外层比在内层的可靠性更好，对称的叠层设计比非对称结构好，另外2 种材料交界面使用低级别PP 黏结的可靠性比使用高速PP 要好［2］。关于材料特性可能带来的影响分析见表1。

表1 材料特性影响混压可靠性的可能原因分析

2 试验设计

2.1 材料选择

高速板材混压的需求主要集中在低损耗材料与低级别材料的混压方面，本试验中选择了常用的甚低损耗（very low loss，VLL）/ULL材料与典型的中损耗（middle loss，ML）、高TgFR-4 板材进行混压试验，研究叠层设计和不同混压组合下的PCB 可靠性差异。相关材料的基本信息和特性指标见表2。各级别材料的混压搭配选型方案见表3。

表2 混压材料信息一览

表3 混压基础性研究材料搭配方案

2.2 混压研究试板的叠层设计方案

2.2.1 叠层设计

通过设计不同叠层搭配的8 层板，并对比在单一材料压合条件下的差异，表征相关指标与叠层设计的关联性及其影响程度。混压叠层中主要对比的方向如下：①高速材料在内层与外层的差异；② 含PP混压与不含PP混压的差异；③PP选用高级别材料和低级别材料的差异。如图2所示。

图2 混压试验的叠层方案

2.2.2 表征方法

混压基础性研究测试方法见表4。

表4 混压基础性研究测试方法

3 试验结果

3.1 叠层结构的影响

（1）高速材料在内层与外层的差异，亦即低级别材料在两侧和在中间的差异。方案1 和方案2均为芯板和PP 同时混压的情况，2 种方案之间的差异在于，方案1 中低级别材料在中间，高级别材料在两侧，而方案2 是高级别材料在中间，低级别材料在两侧。2 种不同方案的T288 和T300 测试结果汇总如图3和图4所示。

图4 方案1及方案2的T300对比结果

从图3 和图4 结果可以看出，在含PP 混压条件下，除R-5785（GE）+TU-862HF外，其他混压材料搭配均表现为低级别材料在两侧的T288 分层时间要大于低级别材料在中间的。

方案4 和方案5 为仅芯板混压，PP 全部为高级别材料的设计，两者差异在于方案4 的低级别材料在两侧，而方案5 的低级别材料在中间。2 种不同方案的T288对比结果如图5所示。

图5 方案4及方案5的T288对比结果

从图5 的14 组材料搭配结果来看，其中9 组表现为在混压PP 均选择高级别的材料时，低级别材料在两侧的T288 分层时间大于低级别材料在中间的。有4 组材料因2 种方案的T288 均大于60 min，未看出明显差异。IT-988GSE+S1000-2M按照方案4 混压后，S1000-2M 芯板与IT-988GSE PP之间直接分层，失效机理需进一步分析。

（2）含PP 混压的两种材料交界面PP 选择差异。方案2 和方案4 均为低级别材料在两侧的含PP 混压的叠层设计，主要差异在于方案2 的混压交界面的PP 为FR-4 或ML 等低级别材料，而方案4 的交界面PP 为R-5775（G）等高级别材料。2 种方案的T288对比结果如图6所示。

图6 不同交界面PP的T288对比结果

由图6可知，当选择的低级别材料为FR-4时，整体上交界面PP 选择高速材料的T288 分层时间比选择低级别材料要长。而当混压的低级别材料为TU-862HF 和IT-170GT 时，由于材料自身的可靠性较好，除IT-968+TU-862HF 组合外，其他混压组合在两种叠层方案下T288 均超过了60 min，说明随着低级别材料本身的可靠性增加，混压PCB的可靠性也会显著提升。

（3）仅芯板混压条件下的PP 选择对混压可靠性的影响，方案3和方案5的差异主要在于：方案3 的PP 全部为低级别的材料，方案5 的PP 全部为高级别的材料。2 种不同方案的T288 对比结果如图7所示。

图7 方案3与方案5的T288对比结果

由图7 可知，当低级别芯板为IT-180A 和S1000-2M 等FR-4 材料时，选用高速PP 混压整体会比使用FR-4 PP有更好的可靠性。而当混压的低级别芯板为TU-862HF 时，却表现出相反的规律。R-5775G+TU-862HF 的T300 测试结果如图8 所示。低级别材料为IT-170GT 时，不同混压组合之间未表现出统一规律。