一、FR-4板材之持續革新

 

　　簡言之，電路板基材主要包括銅箔、樹脂、以及補強材等三大原料。然而，若再深入研究現行基材及檢視其多年來的變革時，卻會發現基材內容的復雜程度著實令人難以想像。由于電路板廠家對于無鉛時代基材品質的要求日益嚴苛，致使樹脂與基板之性能與規格，無疑地將更趨複雜。基材供應商所遭遇的挑戰，是必須在客戶各種需求間找出最佳的平衡點，以期獲得最經濟的生產效益，并將其產品數據提供給整體供應鍊作為參考。

 

　　綜觀FR-4板材的發展歷史，多年來某些業者們一直認為，FR-4板材已如明日黃花行之將盡，因此轉而研究其他高性能替代品。每次當規格要求又有所增加時， 板材供應商就必須戮力以赴，期能符合客戶需求。近年來，市場最明顯的發展趨勢即為高Tg板材需求量的大增。實際上，許多業者關于Tg議題的瞭解，似乎都說明了高Tg即具備了高效能，或較佳的可靠度。本文主要目的之一，系在說明下世代FR-4 板材所需具備的特質，已非Tg所能全然表達，于是乃再提出更多耐強熱所應具備的全新規格，以因應無鉛焊接的挑戰。

 

　　二、主導基板規格的業界趨勢

 

　　正在進行中的多項產業趨勢，將促使重新配方板材的應市與採用，這些走向包括了多層板設計潮流、環保法規、以及電性需求等，現分述于下：

 

　　2.1.多廣板的設計走向

 

　　目前PCB的設計趨勢之一就是提高佈線密度，欲達此種目標的方法有三種： 首先是縮減其線寬線距，使單位面積內可容納更多更密集的佈線；其次是增加電路板層數；最后則是減小孔徑及銲墊之尺寸。

 

　　然而，當單位面積內的線路愈佈愈多時，其工作溫度勢必會上升。再者，不斷增加電路板層數之際，也勢必使得完工板同步變厚。否則就只能搭配較薄的介質層進行壓合，以維持原先的厚度。PCB愈厚者，其通孔壁因積熱所造成的熱應力將越形增加，進而使得Z方向熱脹效應變大。選用較薄的介質層時，則意味著必須使用膠含量較多的基板與膠片；但膠含量較多者，又會造成通孔Z方向熱脹量與應力的再增。此外，減小通孔之孔徑，不免又使得縱橫比變大；因此為確保鍍通孔的可靠度，所用之基材就必須具備較低的熱膨脹以及較佳的熱穩定性，才不致功虧一簣。

 

　　除上述因素外，當電路板組裝元件密度增加時，則其導通孔佈局亦將排列的更為緊密。但此舉卻會使得玻璃束漏電之情勢更趨緊張，甚至在孔壁間的基材玻纖中發生橋接現象，進而導致短路。此種陽極性絲狀漏電現象 (CAF)正是目前無鉛時代對板材關注的主題之一，當然新一代的基材必須具有更佳的抗CAF能力，才不致于無鉛焊接中狀況頻出。

 

　　2.2、環保法規

 

　　環保規章對于基材方面，在政治介入下又增加許多額外要求，例如歐盟之RoHS與WEEE等多項指令，都將會影響板材規格之制訂。在眾多法規中，RoHS限制焊接時的鉛含量。錫鉛焊料已在組裝廠行之多年，其合金之熔點為183℃，而熔焊製程溫度一般約為220℃。無鉛主流銲料之錫銀銅合金（如SAC305其熔點約為217℃ ，通常熔焊時的峰溫將高達245℃。焊接溫度上升，代表著基材必須具備更好的熱穩定性，才能忍受多次熔焊所帶來的熱衝擊。

 

　　RoHS指令也禁用某些含鹵素的耐燃劑，包括聚臭聯苯PBB及PBDE等。然而，PCB基材中最常用耐燃劑之四臭丙二酚TBBA，其實并不在RoHS的黑名單上。儘管如此，由于含TBBA的板材在升溫時會產生不適當的灰化反應，致使某些整機品牌商仍考慮改採無鹵材料。

 

　　2.3 電性要求

 

　　高速、寬頻、與無線射頻之應用，迫使板材還需具備更好的電性表現，亦即介質常數Dk與散失因素Df，不但必須抑低而且更須全板面中表現穩定，并還應妥備可控制性。符合此等電性需求者，同時還不得不在熱穩定性出現遜色，唯其如此，其市場需求量與佔有率方得以日益增加。

 

　　三、基材之重要特性

 

　　為了顧及無鉛市場需求的耐熱穩定性，其必須注意的物性有：玻璃態轉化溫度(Tg)、熱脹系數CTEs、以及因應高溫無鉛焊接而全新需求的耐裂解溫度Td等，現分述于下：

 

　　3.1 以TMA法量測玻璃態轉化溫度（Tg)

 

　　玻璃態轉化溫度，是最常用以評斷樹脂基材特性的重要指標。所謂樹脂的Tg ，是指該聚合物在升溫到某種溫度區間時，該樹脂會由原先常溫較堅硬的「玻璃態」（為非固定式組成固態物質之泛稱〉，轉變成為高溫中具有塑性且較為柔軟的「橡膠態」。各種板材在Tg前后之多種特性將會截然不同。

 

　　所有物質都會因溫度改變而產生漲縮變化，Tg前基材的熱膨脹速率通常較低較緩和。熱機分析法（TMA）可記錄基材尺寸對應于溫度的變化，利用外推法可將兩條曲線所延伸虛線的交點，其所指示的溫度，即為此基材之Tg 。此種Tg前后曲線斜率之巨大差異， 說明了兩者截然不同的熱脹速率， 即所謂的α1與α2之熱脹系數(CTEs)。由于板材之Z-CTE會影響完工板的可靠度，且對下游組裝更為重要，是故所有業者對此均不可忽視。需注意的是，熱脹量較小的對通孔銅壁所展現的應力也較少，因而可靠度方面也必然也較佳。不過，一般人總認為Tg是一個相當固定的溫度點，其實不然，由圖1中的曲線弧度得知，板材在溫度上升至Tg附近時，其物性就會開始發生幅度較大的變化。

 

 

 

　　圖1、此為熱機分析法TMA，針對試樣量測其Tg的說明。當試樣增溫中Z軸板厚逐漸漲厚的情形當此熱脹曲線由室溫玻璃態的α-1CTE斜率，轉折到高溫橡膠態之α-2CTE斜率時，其間過渡態所對應的溫度范圍即為Tg。

 

　　除了TMA測試法外，尚另有"示差掃瞄熱卡分析法"（DSC）以及"動態熱機分析法"等兩種途徑可以測量Tg。不同于TMA者，DSC之分析是測量板材熱流量對應于溫度的變化，吸熱或放熱反應都會改變樹脂在Tg范圍內的溫度遞增。至于利用DSC所測得之Tg，通常會較TMA測量結果高出約5℃。另一種動態熱機分析法之DMA則是測量板材模數與溫度的關系，其讀値將會更高出15℃以上，IPC規范較認同于TMA之測値。

 

　　上述TMA熱分析儀器，除了可用以量測完工板材的Tg外，尚可將完工板材放置在其高溫試皿中，在所設定260℃、 288℃或300℃的高溫環境中，監視各種完工板材在Z方向耐熱裂解的時間，簡稱為T260 、T288與T300 ；以模擬多次無鉛焊接中是否會出現爆板與裂層。目前IPC-4101B已將上述三項做法列入規格單中，堪稱是一項因無鉛而導致FR-4 板材的重大改革。

 

 

 

　　圖2、此圖說明Tg與α-2CTE對板材耐強熱的差異，由此圖可知在無鉛焊接的強熱中，其等α-2CTE要比Tg更為關鍵。

 

　　3.2 熱脹系數（CTEs)的詮釋

 

　　眾多文獻均表示高Tg即代表樹脂品質較好，然而無鉛焊接之情況卻不盡然如此。通常高Tg無疑地會延緩樹脂發生快速熱膨脹前的起始溫度，至于其總體熱脹量，則因板材之種類而各異。Tg較低的板材，其總體熱脹量也較少。此外，在樹脂中加入某些塡充料者亦可降低其CTE。由上圖2所示之三種樹脂材料可看出，C材的Tg較A材為高，但因C材的CTE値在Tg之后便后急速上升，故其總體熱膨脹量遠比A材更大而更差。再以A與 B為例，若兩種材料在Tg前后之CTE皆相同，但Tg較高的B ，其總熱脹量仍將低于A。最后，雖然B與C的Tg都相同，但由于B在Tg后的CTE較低，故B的總體熱脹量也就相對較少了。

 

　　由下圖3中可另見到三種板材的Tg皆為175℃ ，但卻因其等Z軸熱脹系數有所不同，進而導致熱脹速率的差異。此圖3中三種材料的主要差異為Tg后之熱脹系數α-2CTE彼此有別。總而言之，板材之總體熱脹系數較低者，將有助于其通孔銅壁可靠度的改善。

 

　　事實上，世事卻不盡然如此！在繼續討論基材其他重要特性之前，必須先說明Tg與CTE兩者之關系。高Tg 板材的優點之一，是Z軸熱脹系數較低，故具有較低的總體熱脹量，因此可延緩Tg后尺寸快速熱脹的不利現象，并可減少銅壁中的殘馀應力。

 

　　不過在少數特例中，高Tg板材也有可能比低Tg在的CTE方面來得還大，因此，在選擇板材時，還必須將CTE考慮在內。各板材的Tg雖相同但其CTE也可能不同，當進行熱循環試驗時，通孔銅壁所感受的應力也會隨之不同。圖3中的C材就同時具有高Tg與低CTE等雙重優點。

 

 

 

　　圖3、此圖說明三種板材的Tg都在175℃，但其等α-2CTE卻不同，此時當然要選Tg后熱脹最小的C材，才最有利于無鉛焊。

 

　　3.3 以TGA法找出裂解溫度

 

　　當電路板制作溫度升高時如(無鉛焊接），板材的裂解溫度Td將變得極為重要。裂解溫度是指樹脂的化性或物性實際已發生劣化時的溫度。此種特性，可用"熱重分析法"（TGA)加以測量。TGA可測量試樣重量相對于升溫的變化。當試樣在高溫中因樹脂裂解而失重達5%時，其所對應之溫度即為該材料的裂解溫度 Td。圖4中，兩種FR-4材料之Tg雖然相同，但其Td卻有所差異。無鉛焊接的更高溫環境中，板材的Tg雖仍為一項重要的參數，但Td之重要性卻更有過之。

 

 

 

　　圖4、板材抵抗無鉛強熱的另一項更重要品質， 就是耐熱裂溫度（Td)。其定義是當板材在TGA高溫中受熱分解而失重超過5%者，該溫度即稱之為熱裂溫度，圖中傳統FR-4 之Td為320℃ ，而強化FR-4之Td為350℃。

 

　　Td的定義雖為試樣減重達5%時的溫度，但當減重已至2-3%時，即可視為樹脂已開始發生劣化而裂解。由圖4所示，傳統錫鉛熔焊之峰溫可達 210-235℃ ，最常使用者約為225℃ ，在此溫度范圍內，板材尚不至于發生裂解現象。然而，無鉛熔焊之溫度至少須再提高25℃在此等強熱環境中，傳統板材將會發生2-3%的減重，此種情況中將會產生不同程度的樹脂裂解。

 

　　為了瞭解多次熔焊過程，并比對傳統錫鉛焊接和無鉛焊接SAC之影響起現，可試以TGA進行大量分析。上圖3中是以三種板材為例；這些板材的Tg皆為 175℃ ，但A的Tg為310℃，而B與C之Td另為350℃。圖5與圖6之數據分別說明在235℃及260℃的熱循環試驗下，各板材累計失重的趨勢圖。

 

　　將TGA試溫恒定于235℃ ，經多次循環后的失重比較

 

 

 

　　圖5、以TGA方式在235℃：模擬有鉛焊接的多次試驗中，可見到三種板材均未失重而保持良好。

 

　　將TGA試溫恒定于260℃，經多次循環后的失重比較

 

　　TGA的試驗溫度提升到260℃而模擬電路板無鉛焊接

 

 

 

　　圖6、但若將TGA的試驗溫度提升到260℃而模擬無鉛焊接時，經多次試驗后，發現A材已逐漸減重而失效

 

　　由圖5所示可知，四種板材不論Tg或Td如何，在235℃的峰溫試驗中，其等重量幾乎都沒有因損失而劣化。然而，圖6卻顯示不同的故事，在更高溫260℃ 的多次試驗下，Td較高的板材幾乎仍未出現減重，但Td較低的一般性板材，其樹脂卻開始發生明顯劣化，以致急遽出現減重之情形。

 

　　3.4 以DMA法量測板材的儲存模數

 

　　板材中的環氧樹脂，常溫中是一種在具有彈性的聚合物，但高溫中變軟后卻又具有黏性，特稱之為黏彈性。當某物體具有"黏彈性" 時，一旦受到外力的拉伸或壓迫時，當該物體會發生與施力方向相同的變化者，稱之為彈性；若發生與施力方向垂直方向的變化者，稱之為黏性。此種黏彈性會隨時間，溫度，與冷熱頻率而逐漸變化。若將樹脂板材刻意在DMA的高溫中〈235 ℃、 260℃ 〉，以「動態熱機分析法」（DMA），多次量測其Tg與儲存模數量時，一旦發現某板材在此二項特性均出現數據之下降者，即表該板已出現耐熱性不良的劣化了 ，是另類監視板材耐熱品質的精密方法，現以圖示方式說明于后。

 

 

 

　　圖7、左圖為儲存模量的簡要說明，首先是黑色的泥土球，在極少黏彈性下，自由落地后幾乎停止不動，其次是超級球經自由落地后反彈極高。而常見的網球，自由落地后反彈的高度即可視為仍儲存模量，而距原高度所損失的落差即為損失模量。右圖即為兩者在升溫中遂漸下降的趨勢，以及Tg的區域。

 

　　下圖10與圖11系使用DMA對三種板材Tg所測得的結果，分別設定于235℃及260℃的熱循環試驗中，量測分析其板材Tg的變化。當在235℃時，三種板材之Tg都維持在175℃以上而沒有明顯變化。然而當峰溫再升高達260℃時，Td為310℃的現行"標準"式A材，即已明顯發生Tg逐漸下降的劣變情形。相較之下，Td為350℃的板材B與C，其縱軸的Tg數値仍然十分穩定。由于樹脂成分的不同，甚至在多次加溫中聚合度稍增下，還使得Tg稍微增加了幾度。

 

 

 

　　圖8、右圖為DMA儀器的外觀與重要組件的說明，右圖為試樣一種承載架的詳細畫面，系將試樣板片的左右加以固定，中央夾具則可上卞浮動，在垂直方向施加上下的外力后，該試即反應出彈性與黏的訊號數據。

 

 

 

　　圖9、當施加外力后，所產生的應變方向與施力方向完全相同者稱彈性，應變方向針對施力方向落后90度者者稱爲黏性，介于其間者即爲黏彈性。

 

　　將DMA試溫恒定于235℃，對Tg進行多次試驗的變化情形

 

 

 

　　圖10、動態機械分析可用以量測有機板材的黏彈性與儲存模數。當于235℃模擬有鉛焊接之高溫中多次測試Tg時，若讀值皆未變化，則表該板材在該溫度中尚稱穩定。

 

　　將DMA試溫恒定于260℃，對Tg進行多次試驗的變化情形

 

 

 

　　圖11、若以DMA另行模擬無鉛焊接的260℃高溫中，刻意多次量測其Tg ，發現行常用A產品之Tg不斷下降，即表示該種A板材已在高熱中發生熱裂解了 。而Tg仍能維不致下降者，即表其已具良好的抗熱性。

 

　　模量可視為聚合物的剛性；或稱硬挺性，板材經多次高溫后，凡耐熱性較差者，其模量自必有所損失，而所剩馀的儲存模量當然就會愈來愈少了 。DMA還可測量板材的"儲存模數"；此種儲存模數與材料的抗撓強度和硬挺性有關，此二物性對于PCB下游組裝廠堪稱非常重要。因為硬挺性較佳者，可于熱循環中仍保持其抗撓強度（耐彎曲性），進而使得在元件焊接時，較能避免板面下凹或板彎板翹的缺點。圖12及圖13分別表達板材A與B在235℃及260℃ 的多次循環試驗下，其儲存模量的百分比變化情形。由本測試結果顯示，Tg為175℃所謂的"標準"A板材，不論在235℃或260℃的多次DMA試驗后，其儲存模量都不免會降低， 且在260℃的試驗中下降更為嚴重，此即說明其抗熱性仍有待加強。Tg為175℃及Td為350℃的板材B，則在兩種峰溫中經，八多次循環測試后進一步証明了耐熱性的良好。

 

　　在235℃恒溫中以多次循環測試后，其儲存模數的變化比較

 

 

 

　　圖12、當A與板材經過DMA在235℃中多次測試其Tg時，由于其Tg不斷下降之儲存模量也在不斷下降，換言之人材耐強熱性質已不如B材。

 

　　在260℃恒溫中以多次循環測試后，其儲存模數的變化比較

 

 

 

　　圖13、若再將A材與B材模擬260℃之無鉛焊接時，發現DMA試驗后A材儲存模量的下降更為嚴重。