2.2.1 基材的幾項關鍵性能

基材的諸多性能中，有的是對所有印制板通用，有的是適應于不同用途印制板的特殊需要。所謂特殊需求，只不過是指基材具體的技術指標在某些方面表現得更為突出。對于高速電路印制板，就需要基材的介電常數和介質損耗等特性方面更為突出，對于其他的特性也要兼顧。因為對任何印制板都需要考慮焊接性能和某些物理性能，所以對于無鉛焊接用印制板的基材，通常必須認真考慮以下幾項關鍵性能。

1.耐熱性能

目前印制板多數為表面安裝用的印制板，印制板用的基材在焊接過程中必定要經受較長時間的較高溫度，尤其是提倡無鉛焊接技術以后，由于焊接溫度比有鉛焊接時提高了 34℃以上，印制板能否經受得住焊接時的高溫，對印制板的耐熱性能是一個重大的挑戰，也成為印制板設計和制造、安裝共同關注的問題。表征覆銅板耐熱性能的主要性能是基材的耐熱性。

覆銅箔板主要由樹脂與增強材料（如玻璃纖維布）組成，由于其中的增強材料大都具有相當高的耐熱性，所以一種基板材料耐熱性的高低，主要取決于樹脂部分。構成基板材料的樹脂絕大多數是高分子聚合物。高分子聚合物在受熱過程中將產生兩類變化：一類是軟化和熔融等物理變化；一類是化學變化，主要表現為樹脂的環化、交聯、凝膠化（熱固型高分子聚合物）、老化、降解、分解和在大氣環境與熱的作用下發生氧化、水分解等。這些物理、化學的變化，是高分子聚合物受熱后性能變差的主要原因。反映這些變化的溫度參數主要有玻璃化轉變溫度（T_g）、熔融溫度（T_m）和熱分解溫度（T_d）。對于基板材料來講，直接或間接表征它的熱性能的技術參數，還有熱膨脹系數、熱分層時間（t₂₆₀、t₂₈₈）、浸焊耐熱性、比熱、熱導率、彈性模量等。這些性能參數是了解和評價某種基板材料耐熱性重要的依據或參考數據。以下將介紹其中最主要的幾個參數。

（1）玻璃化轉變溫度（T_g）

玻璃化轉變溫度（T_g）指基材中聚合物從硬的和相當脆的狀態（玻璃態）轉變成黏稠的高彈態（又稱橡膠態）時所處的溫度。這一轉變溫度通常是在較窄的溫度區域內變化。在常溫下，覆銅板樹脂為玻璃態呈剛性，在它被加熱的情況下，由玻璃態轉變為高彈態，即變軟并有彈性的狀態，所以又有的人習慣將這種狀態稱為“橡膠態”，此時所對應的轉變溫度稱為“玻璃化轉變溫度”，普遍將它簡稱為“玻璃化溫度”，英文縮寫符號為 T_g。T_g是基材中高分子聚合物材料的特有性能。高聚物的玻璃化轉變溫度與形變的關系如圖 2-3 所示。換句話講，T_g是基板保持剛性的最高溫度。由于這種變化是在一定溫度范圍內，所以T_g是指一個溫度范圍，如普通 FR-4 基材的 T_g為 125～140℃。覆銅箔板的耐熱性、耐濕性、熱膨脹系數、耐化學藥品性、尺寸穩定性等特性，均與 T_g有關。也就是說，如果覆銅板的 T_g提高，可對上述各項性能方面都會有相應的改善。無鉛 PCB 應選擇具有高 T_g特性的CCL，以保證在較長時間高溫焊接下具有良好的各項特性。

覆銅板中的樹脂一般為非結晶態的高分子聚合物，它會因環境溫度的升降而發生力學狀態的三種變化。高聚物的樹脂狀態變化與形變有密切的關系。圖 2-3 說明了這一變化過程和相互關系。隨著溫度的升高，樹脂狀態發生變化：玻璃態（圖中A至B區）→高彈態（圖中B至C區）→黏流態（圖中C至D區）。在玻璃態時，由于溫度較低，分子具有的動能小，高分子鏈段處于一種“呆滯”狀態，它的形變很小。隨著溫度的升高進入高彈態，主鏈具有的動能雖不足以移動，但主鏈上的一些單鏈、支鏈卻可以發生旋轉，使得鏈段產生滑移，甚至卷曲的趨勢，使得它的形變增大，表現在板的厚度上有明顯增加，熱膨脹系數增大。當溫度再提高，樹脂狀態進入黏流態時，分子之間也可相對滑動，形變急劇增大，使板的內應力也明顯增大，以至產生基材板的分層。

T_g的高低將會影響焊接時的耐溫度高低。根據T_g的高低可以將覆銅箔層壓板分為不同的耐熱檔次。通常將剛性玻璃布基覆銅板按照T_g劃分為四個檔次，見表2-5。

這種檔次的劃分包括采用不同樹脂類型的覆銅板。對高耐熱型覆銅板的 T_g值的要求，目前沒有特別明確的規定。一般習慣上將第三、第四檔次的 T_g要求的基板稱為高耐熱型覆銅板。

如果印制板使用條件的溫度是在覆銅板的 T_g以上，那么覆銅板就會出現絕緣電阻惡化、基材樹脂發脆的問題。高 T_g的覆銅板，要比一般低 T_g的基板材料具有更好的尺寸穩定性、較高的機械強度保持率、較低的熱膨脹系數性、較高的耐化學性。高 T_g基板材料的優良性能，應在更大溫度范圍的環境下得到保持。但是 T_g過高的材料，硬度高、機械加工性變脆，難以機械加工。選擇基材的 T_g時，應兼顧兩者的關系，即采用的 T_g較高又較易于加工。這一特性，對于制造高精度、高密度、高可靠性、微細線路等的印制板，特別是多層印制板更為重要。在采用無鉛焊接的多層印制板中，通常選用基材的 T_g應控制在 150～170℃左右較為合適。在高溫場合下焊接和使用的印制板可以選用 T_g＞170℃的基材。一般高耐熱型板材的價格較高。

（2）熱膨脹系數（CTE）

覆銅箔板（CCL）的熱膨脹系數是衡量基材耐熱性能的又一重要指標。CCL 的 CTE 大小是樹脂、增強材料與銅箔三種材料CTE綜合的表現結果。三種主要組成材料中，樹脂是對CCL的CTE影響最重要的因素。

熱膨脹系數是指材料受熱后在單位溫度內尺寸變化的比率，以每攝氏度變化百萬分之幾表示（×10-6/℃）。基材的CTE在X、Y方向和Z方向不同。

① Z方向熱膨脹系數。

由于熱膨脹系數與環境溫度條件有著很大的關系，在印制板的厚度方向的熱膨脹系數稱為 Z 方向熱膨脹系數，在溫度達到基材的 T_g時，與在 T_g以下表現出很大的差別。因此，一般將CCL的厚度方向（Z方向）在T_g溫度點以下的熱膨脹系數，簡稱為α₁；在T_g點以上的熱膨脹系數，簡稱為 α₂。在溫度提高的條件下，由于樹脂形變受到的增強材料的制約很小，因此CCL的Z方向熱膨脹系數會表現出明顯的增加。構成CCL的樹脂，當它處于T_g溫度以上的高彈態下的熱膨脹系數（α₂），是處于 T_g以下的熱膨脹系數（α₁）的 3～4 倍。Z 方向的CTE 較大，受熱膨脹后由于樹脂的膨脹尺寸大于孔壁的銅層膨脹尺寸，對孔壁銅層產生拉伸應力，會影響金屬化孔的質量。

② X、Y方向熱膨脹系數。

X、Y 方向熱膨脹系數是 CCL 水平方向的熱膨脹系數。水平方向的熱膨脹系數大多表示的是在30～130℃溫度范圍的值。FR-4型覆銅板在T_g以上溫度，它的X、Y 方向由于樹脂被其中作為增強材料玻璃布的牽制，在環境溫度提高，樹脂產生形變時，覆銅板的 X、Y 方向CTE表現得變化不太明顯。X、Y方向CTE大小，還有另外一種表示方式，即基板從50℃等速升到 260℃條件時的 X 方向或 Y 方向的尺寸變化率。X、Y 方向的 CTE 應與安裝的元器件基體的 CTE 匹配，能降低焊點受熱應力的影響，不然將會在焊接或使用時，由于溫度變化引起焊點的應力變化和可靠性下降甚至失效。在采用無鉛焊接技術或產品使用溫度較高或變化較大時，應選擇CTE較小或與所安裝元器件基體的CTE相匹配的基材。

③ 溫度升高條件下Z方向（板的厚度方向）的總膨脹尺寸百分比。

在 IPC-4101B 標準中對與無鉛焊接相兼容的 FR-4 覆銅板規定了在升高溫度 50～260℃的條件下，Z方向的總膨脹尺寸百分比。IPC標準中所列的無鉛兼容性FR-4型覆銅板，基材牌號和樹脂的 T_g不同，其總膨脹尺寸百分比有所不同，如：FR-4/126 型 T_g為 170℃的總膨脹尺寸百分比不大于3%，FR-4/99型T_g為150℃的總膨脹尺寸百分比不大于3.5%，FR-4/101型T_g為110℃的總膨脹尺寸百分比不大于4%。

一般 FR-4 型 CCL 的 X、Y 方向 CTE 為 13×10-6～16×10-6/℃，與銅箔的 CTE 相近（14×10-6～18×10-6/℃），Z 方向的 CTE，α₁為 50×10-6～70×10-6/℃，α₂為 200×10-6～300×10-6/℃，遠大于銅的CTE。CTE型CCL的CTE沒有統一規定，一般CCL的X、Y方向的CTE應在8×10-6～12×10-6/℃。X、Y方向的CTE更低的CCL產品，CTE可達到9×10-6/℃以下。如果環氧-玻璃布基覆銅箔層壓板在樹脂組成中加入了有利于降低 CTE 的無機填料，可使產品的CTE更低，能達到9×10-6/℃以下。

在IPC-4101B標準中，要求無鉛兼容性FR-4型覆銅板的Z方向熱膨脹系數見表2-6。

④ 低熱膨脹系數多層板的半固化片。

多層印制板大多是采用 FR-4 型薄基材和半固化片制作。多層板的熱膨脹系數由薄型基材和半固化片的熱膨脹系數決定。FR-4 型半固化片主要由 E 型玻纖布與環氧樹脂構成，該半固化片所用環氧樹脂的CTE為85×10-6/℃，E型玻璃布的CTE為5×10-6/℃，所以半固化片的樹脂含量越高，其 CTE 就越大，板的尺寸穩定性就越差。因此，制作較低熱膨脹系數性多層板在選擇半固化片時，不能選用含膠量指標過高的半固化片，以防增大多層印制板的CTE。

在印制板設計及制造過程中選用覆銅箔基材考慮低熱膨脹系數時，應注意以下兩個問題。一是根據不同應用場合選擇低熱膨脹系數覆銅板。在制造以下應用場合的印制板時，需要考慮采用低熱膨脹系數覆銅板。

● 導線寬度和線距的尺寸精度高、孔徑小、對位精度高的高密度互連印制板，如果CCL的熱膨脹系數過大難以滿足要求。

● 薄型化、極薄化多層板（6～10 層板的總厚度在 0.5mm 以下），要求所使用的基板材料熱膨脹系數要有所降低，特別是在厚度方向的熱膨脹系數。

● 采用無鉛化焊接工藝，焊接溫度提高，適應無鉛化的覆銅板在熱膨脹系數方面要有所降低，特別是在玻璃化轉變溫度以上時的熱膨脹系數要降低。

● 有機樹脂的新型封裝器件中載板所用的CCL更應具有低CTE、高尺寸穩定性。

二是注意板材不同方向熱膨脹系數的側重性要求。不同用途印制板所用的 CCL，在低熱膨脹系數方面的X、Y和Z方向的要求是有差異的，即側重性不同。

表面安裝印制板焊接連接部位的可靠性以及從導線、導通孔的間距尺寸精確度要求考慮，都更希望所使用的印制板在水平方向（X、Y方向）的熱膨脹系數更小，以獲得基板的高尺寸穩定性，此性能在當今不斷發展的 IC 封裝基板應用領域內要求更為強烈。水平方向的CTE 對于安裝高密度的封裝至關重要，半導體芯片的 CTE 通常在 6×10-6～10×10-6/℃范圍。如果芯片安裝在一般 CTE 型（板的 CTE 在 18×10-6～10×10-6/℃）基板材料制成的印制板上，該IC封裝器件通過多次的熱循環以后，由于熱膨脹系數的差別大，可能造成焊點受力引起失效。而Z方向的CTE直接影響鍍覆孔的可靠性，尤其對于板厚和孔徑比較大的多層板，厚度方向膨脹尺寸過大會引起鍍覆孔內較薄的銅鍍層斷裂。

從通孔安裝的連接可靠性考慮，希望使用在板厚度方向的熱膨脹系數更小的基板材料。用于無鉛化的印制板，在進行元器件焊接時的溫度較高（在 250℃溫度以上，遠超過 T_g溫度），會使基材性能降低、劣化而引起焊盤脫落、基板分層、導通孔可靠性下降等質量問題。因此，從基材方面解決上述質量問題，主要是設法降低基材的 α₂值，即降低玻璃化轉變溫度以上的熱膨脹系數，以適應無鉛化生產。

高層數多層板或超高多層板的制作，既需要水平方向的CTE小，也需要它在厚度方向的CTE 小，這樣才能對印制板高可靠性有保障。許多高密度、高速的多層印制板采用 FR-4 型的薄型基材和半固化片制作。這類材料由E型玻璃布與環氧樹脂構成，其中環氧樹脂的CTE為85×10-6/℃，而E型玻璃布的CTE為5×10-6/℃。基材和半固化片中環氧樹脂含量越高，印制板基材的尺寸穩定性越差，CTE 就越大，選用基材和半固化片時不應選用樹脂含量較高的材料。

（3）熱分層時間（t₂₆₀或t₂₈₈）

熱分層時間是印制板基材耐浸焊性能指標，指材料在規定的焊料溫度下和規定的時間內焊接，基材不出現分層、起泡等破壞的現象。t₂₆₀是指在溫度為 260℃時的耐焊接時間，適用于焊接溫度較低的有鉛焊接用基材。t₂₈₈是指在溫度為 288℃時的耐焊接時間，適用于焊接溫度較高的無鉛焊接用基材。焊接的溫度越高，在高溫下停留的時間越長，越容易加大印制板基材的熱膨脹和分層的可能性，會造成印制板的損壞。所以在焊接時希望熱分層時間越長越好，但是，由于基材的耐熱性主要由樹脂決定，它與樹脂性能有關，熱分層的溫度和時間總要有一個限度，能保證在規定的溫度和焊接的時間內完成焊接操作，這樣的基材就能滿足要求。有鉛焊接的溫度較低，對基材的熱分層溫度要求較低，如果采用波峰焊時，經受焊接的時間也較短，熱分層時間可以相對短一些。在 IPC-4101 標準中規定一般型 FR-4 基材的熱分層時間在 260℃時為 10s，即 t₂₆₀=10s。這對無鉛的再流焊是滿足不了要求的，因為無鉛再流焊溫度較高、時間較長，所以熱分層溫度應高于288℃的時間為5min以上，即t₂₈₈＞5min，目前有些材料的t₂₈₈＞30min。

（4）熱分解溫度（Temperature of Thermal Decomposition，T_d）

基材中樹脂材料受熱分解，當材料失重 5%時的最高溫度稱為熱分解溫度。在此溫度下材料的一些物理、化學性能降低，產生不可逆的變化，這通常通過一些熱應力試驗后的樹脂狀態變化和機電性能變化來反映。對于 FR-4 板材，熱失重 5%時的熱分解溫度高于等于 340℃。在有鉛焊接用基材中原來沒有此項要求，在提倡無鉛工藝后，由于焊接溫度的提高和再流焊時間的加長，該項技術指標能反映出基材的耐焊接程度，越來越被印制板用戶重視。

2.介電常數（ε）

ε 是基材影響高速、高頻電路印制板阻抗特性的重要特性參數。它的物理含義是指：在規定形狀的兩電極之間填充介質而獲得的電容與兩電極之間為真空時的電容之比。介電常數影響高速信號在印制板上的傳輸速度，與信號傳輸速度的關系為

式中，v 為信號傳輸速度（m/s）；k 為常數（由布線的結構而定）；c 為光速（3×108m/s）；ε為介電常數。

從式中可以看出，信號的傳輸速度與基材的介電常數平方根成反比，介電常數 ε 值越大，信號傳輸速度 v 就越小。介電常數對信號線的特性阻抗有重要影響。信號傳輸衰減也與介電常數有關，通常介電常數小的基材介質損耗也小，高速信號在同樣長度的印制導線上傳輸衰減就低。所以介電常數是高速電路印制板設計選用基材必須認真考慮的關鍵特性之一。

3.介質損耗角正切值

介質損耗角正切值又稱損耗因子或介電損耗（Dissipation Factor，簡稱tanδ或Df），它是影響微波和高速印制電路基材傳輸特性的另一重要參數。其物理含義是指：印制板的基材中當信號或能量在電介質里傳輸時，其信號的能量在傳輸與轉換過程中所消耗的程度，用損耗角正切值表示（tanδ）。介質損耗是指信號在介質中丟失，也可以說是能量的損耗。構成基材的絕緣介質是高分子材料，理想的情況下絕緣介質內部沒有自由電荷，而實際上總是存在少量的自由電荷，因此會造成一定程度的電介質漏電和傳輸能量的損耗，這種自由電荷越多，漏電和損耗就越大，當高頻或高速電信號通過時，在電磁場的作用下介質材料中自由電荷趨向于定向排列，但此時介質中的高分子材料分子間是相互交聯的，由于化學鍵的束縛，自由電荷又不能真正實現定向，這樣在高速或高頻變化的電磁場作用下，材料中的分子鏈不停地運動，產生大量的熱造成能量的消耗。極性高分子材料受電磁場影響大，因而介質損耗也大；非極性高分子材料受電磁場影響小，如聚四氟乙烯就是非極性高分子材料，因而介質損耗較小。介質損耗與基材的損耗因子的關系如下式：

式中，αd為介質損耗（dB）；k 為系數（27.3×f/c）；f 為頻率；c 為光速（3×108m/s）；ε_r為相對介電常數；tanδ為介質損耗角正切值。

從上式可以看出，介質損耗與 ε_r的平方根成反比，與頻率和損耗因子 tanδ 成正比，即tanδ 越大，介質損耗就越大，頻率越高，損耗越大。所以選擇損耗因子小的基材有利于降低高速電路信號傳輸在介質中的損耗。最直觀的例子是傳輸中電能的消耗，如果電路設計損耗小，電池壽命可以明顯增長；在接收信號時，采用低損耗的材料，天線對信號的敏感度增大，信號更清晰。

介質損耗影響高速信號的傳輸延遲和信號衰減，是高性能印制板基材的重要電性能之一。

4.耐離子遷移性（CAF）

耐離子遷移性（CAF）是絕緣基材在電場作用下能承受電化學絕緣破壞的能力。實際上是在印制板加電使用過程中，在電場作用下相鄰的導線或金屬化孔之間的金屬溶解為離子，在兩電極之間的絕緣層內或表面析出，而降低材料的絕緣電阻。CAF 表現為兩種形式：一種是印制板表面的離子遷移，是在板的表面有離子污染和一定濕度的條件下產生的；另一種是導電的離子在材料內部沿玻璃纖維遷移。目前所說的“CAF”大多是指后一種情況。兩者通常發生在電位差較大、間距較小的兩相鄰導線表面之間、相鄰的金屬化孔之間、金屬化孔與相鄰的導線之間或沿基材的玻璃纖維表面。高溫、高濕會加重此現象的產生。吸濕性小的材料有利于減小CAF。

高速電路印制板通常布線密度高、導線間距小，尤其是差分電路的布線中，每一差分導線對的間距過小時，或者兩相鄰的電位差相差較大而間距較小的導線之間在加電長時間工作后容易發生 CAF，在印制板使用之前很難發現。它與基材中的介電材料的性能、表面樹脂的覆蓋程度和加工質量有關。在設計較高布線密度的印制板時，應特別關注基材的CAF特性，以免在印制板長期使用后導線間絕緣電阻下降影響電路正常工作。

5.耐漏電起痕性（CTI）

耐漏電起痕性（CTI）是指基材絕緣層受到規定的電解質（0.1%的氯化銨水溶液）侵蝕后，而沒有出現漏電痕跡的最大電壓。它與絕緣電阻、耐電壓同是基材的重要電氣性能。印制板加工和使用過程中，操作者觸摸成品印制板的表面、涂覆阻焊膜前清洗不干凈和焊接后對助焊劑清理不徹底造成印制板面的氯離子污染，當環境中濕度較大時會使CTI性能下降。

6.剝離強度

剝離強度是將單位寬度的銅箔從基材上拉起所需最小垂直于板面的力。基材的剝離強度越高，說明銅箔與基材中樹脂的黏結力越強。剝離強度分為常態下和熱應力試驗后的抗剝離強度。熱應力試驗用于模擬印制板的基材在焊接后銅箔與基材樹脂的黏結狀況。剝離強度的大小還與銅箔的厚度有關，在相同的條件下銅箔較厚的基材大于銅箔較薄的基材。