高熱可靠性高CTI覆銅板的開發(fā)與性能研究

方克洪 徐 瑩（廣東生益科技股份有限公司 國家電子電路基材工程技術研究中心，廣東 東莞 523808）

高熱可靠性高CTI覆銅板的開發(fā)與性能研究

方克洪 徐 瑩
（廣東生益科技股份有限公司 國家電子電路基材工程技術研究中心，廣東 東莞 523808）

文章通過樹脂體系的改進，開發(fā)一種新型的高熱可靠性的高CTI板材，并重點介紹板材開發(fā)中的設計思路、板材性能以及多層板應用情況。

層壓板；高漏電起痕指數(shù)；耐熱性；多層板

1 前言

隨著科技的發(fā)展，人類生活的安全性越來越受到社會的廣泛關注，為了提高電子產(chǎn)品的安全可靠性，特別印制電路板是在潮濕、易污染環(huán)境條件下使用的絕緣可靠性，具有高漏電起痕指數(shù)（CTI）的覆銅板也就應運而生，并得以廣泛應用［1］［2］；但隨之電子電器產(chǎn)品日趨多功能化與高性能化，印制電路的線路更為復雜密集，層數(shù)也由雙面向多層化方向發(fā)展，另外，在無鉛化浪潮的推動下，原有的元件焊接工藝被無鉛焊接工藝取代，焊接溫度比以前高出20 ℃以上；由于無鉛焊接溫度的提高及多層板的應用，對覆銅板材料的耐熱性和可靠性均提出更高的要求［3］。

對于常規(guī)高CTI的FR-4板材來說，樹脂采用胺固化［4］-［6］，板材存在耐熱性低、易吸濕與耐化學性不足等特點，難以滿足多層板加工與無鉛焊接的需要，改善這類材料的不足點，提升板材的性能，將有利于增強高CTI板材的適應性，拓展其應用空間。

2 開發(fā)思路

材料的漏電起痕是指在絕緣表面有電位差的部位形成碳化導電通路使之失去絕緣性能的現(xiàn)象，并且可以導致電痕破壞。當高分子絕緣材料表面受到帶正負離子溶液污染物的污染時，在外加一定電壓作用下，其表面的泄漏電流大大增加，泄漏電流所產(chǎn)生的熱量增加，加快了潮濕污染物的蒸發(fā)速度，使高分子材料表面形成不均勻的干燥帶，干燥帶位置使得表面電阻增大，這樣電場就變得不均勻，進而產(chǎn)生閃絡放電，在電場和熱的共同作用下，促使絕緣材料表面碳化，碳化物電阻小，促使施加電壓的電極尖端形成的電場強度增大，因而更容易發(fā)生閃絡放電。如此惡性循環(huán)，直到引起施加電壓的電極間表面絕緣破壞，形成導電通道，產(chǎn)生漏電起痕。

電痕化過程中，炭的生成和揮發(fā)的平衡是影響CTI的關鍵。在電痕化時，樹脂發(fā)生炭化，基板表面的炭含量在增加，同時，炭發(fā)生有焰或無焰燃燒生成CO或C02氣體，從基板表面逸出。但炭的堆積會降低電極間的絕緣程度，為改善這一現(xiàn)象，常規(guī)高CTI 的FR-4板材會引入大量的氫氧化鋁，利用其易分解產(chǎn)生水汽揮發(fā)并帶走碳化物的特點，從而達到提升高FR-4板材CTI的效果。由于氫氧化鋁在高溫230 ℃左右時會開始脫去結晶水［7］，加之胺固化下的溴化環(huán)氧體系的熱分解溫度也不高［8］，從而使得常規(guī)高CTI板材存在整體耐熱性偏低現(xiàn)象。

為了改善常規(guī)高CTI板材耐熱性不佳問題，在樹脂體系的研究中，固化劑采用耐熱性高的酚醛樹脂，棄用氫氧化鋁，避免材料固有的短板；由于酚醛樹脂的使用，會導致板材在電痕化時更易碳化，不利達到高CTI，為此，通過對其材料結構特點分析，采用低殘?zhí)悸实臉渲M合，并在CTI、阻燃與耐熱性能上取得較好的平衡。

3 實驗

3.1 原材料

溴化環(huán)氧樹脂，工業(yè)品，陶氏化學公司；多官能環(huán)氧樹脂，工業(yè)品，邁圖化學公司；線性酚醛樹脂，工業(yè)品，韓國Kolon化學公司；固化助劑，工業(yè)品，進口；富氧類無機填料，工業(yè)品，國產(chǎn)；7628電子級無堿玻璃布，工業(yè)品，國產(chǎn)；電解銅箔，工業(yè)品，蘇州福田銅箔有限公司。

3.2 覆銅板的制備

按配方將環(huán)氧樹脂、線性酚醛、固化助劑、填料及溶劑加入容器中，攪拌溶解并熟化，制成膠液。用膠液浸漬經(jīng)偶聯(lián)劑處理的電子級玻璃布，再160 ℃的烘箱條件烘烤4 min ～ 5 min，制成7628半固化片。

將8張7628半固化片疊合，上下各配上厚34.3 μm的電解銅箔，再夾上鏡面鋼板，放入真空層壓機中層壓，壓力2.94 MPa，固化條件為180 ℃、60 min。

3.3 多層板的制備

采用上述相同的膠水，在立式上膠機拉制7628 與2116粘結片，并壓制單張7628配料的兩面覆有厚34.3 μm銅箔的芯板，按PCB生產(chǎn)工藝加工制作八層板，配料結構為18 μm厚銅箔+7628+芯板+2*2116+芯板+2*2116+芯板+7628+18 μm厚銅箔。

3.4 測試方法

覆銅板的比漏電起痕指數(shù)（CTI）則采用IEC 60112標準；其他性能測試均采用IPC-TM-650標準，對于吸水率測試的處理條件為壓力鍋蒸煮；多層板的測試采用先進行無鉛回流焊，再對板材作微切片顯微觀察。

4 結果與討論

4.1 板材的基本性能

與常規(guī)高CTI板材比較，新研制板材的CTI也達到600 V水平，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度在140 ℃以上，其他性能如粘結性、機械強度及阻燃性也基本相當。

表1 板材的基本性能

4.2 耐熱性能

耐熱性指材料在受熱的條件下仍能保持其優(yōu)良的物理機械性能的性質(zhì)，作為覆銅板而言，熱分解溫度與分層時間是表征其耐熱的重要指標，熱分解溫度越高，分層時間越長，材料的耐熱性能就越好，這對于高溫的無鉛焊接而言，是非常有利的。

從結果看，新型高CTI板材的熱分解溫度比常規(guī)的要高出40 ℃，T-288分層時間要高出25 min，顯示板材具備更高的耐熱特性。

圖1 板材的熱分解溫度

4.3 熱膨脹率

從復合材料的角度分析，樹脂與玻璃纖維熱膨脹是不一致的，降低樹脂的熱膨脹率，將有利于減少樹脂與玻纖之間由于應力而產(chǎn)生脆裂現(xiàn)象，從而改善板材在高溫熱沖擊下的可靠性。

圖2 板材的分層時間

表2 板材的熱膨脹系數(shù)

新型高CTI板材從結果看，其Tg前后的熱膨脹系數(shù)均小于常規(guī)高CTI板材，特別是Tg的后熱膨脹系數(shù)更為明顯，30 ℃ ～ 260 ℃的熱膨脹系數(shù)只有3.7%，比常規(guī)的低出18%。

4.4 吸濕性

制作印制電路時，覆銅板材料將經(jīng)受高溫高濕的處理條件，特別是在化學藥水的共同作用下，水分子將更易進入板材中，導致在后期的板材熱加工時、由于水份逸出而產(chǎn)生的可靠性問題，因而，降低板材的吸濕性也是板材性能追求的方向［9］。

為了加速板材的吸濕，測試采用壓力鍋蒸煮的方法，再測其吸水率，結果顯示新型高CTI板材的具有相對低的吸濕特性，并且在吸濕后，還可以經(jīng)受5 min的浸錫288 ℃的熱沖擊。

圖3 板材的高壓鍋處理后吸水率

4.5 多層板的熱可靠性

新型高CTI材料采用印制電路板的正常生產(chǎn)工藝加工八層板，多層板厚度為1.6 mm，布置有密集BGA孔、散熱孔與無內(nèi)層焊盤導通孔，其中孔徑為0.3 mm，孔壁間距分別有0.35 mm、0.5 mm與0.7 mm。

八層板的耐熱測試采用5次無鉛回流焊條件，峰溫為258 ℃，217 ℃以上的停留時間不少于117 s。微切片的結果顯示各種測試孔均無出現(xiàn)分層或爆板現(xiàn)象。

圖4 孔壁間距0.35mm的BGA孔微切片

圖5 孔壁間距0. 5mm的BGA孔切片

5 結論

采用耐熱性高的酚醛樹脂以及棄用氫氧化鋁等手段，加之對CTI特性與其他性能的平衡性把握，制成的新型高CTI板材在耐熱性及可靠性上均有明顯的提升，綜合性能也表現(xiàn)良好。

這一板材的研究成功，提升了高CTI材料的可靠性，及時地滿足市場對材料性能的新要求，也符合全球電子無鉛化與高性能化的大方向，必將促進我國電子行業(yè)邁向更加高端。

［1］曾昭峰，齊方良，鄭國渠. 提高FR-4覆銅板相比漏電起痕指數(shù)的研究［J］. 中國材料科技與設備，2007，3：69-70

［2］陳曉鵬， 姜曉亮. 紙基覆銅板耐漏電起痕指數(shù)影響因素的試驗分析［J］. 印制電路信息， 2014，9：15-17，43.

［3］祝大同. 對適應無鉛化F R-4型覆銅板性能的探討（上） ［J］. 印制電路信息，2005，8：23-30.

［1］朱學文. 覆銅板用基材CTI提升［J］. 覆銅板資訊，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］黃活陽，林仁宗，吳永光. 印刷電路覆銅板用高CTI環(huán)氧樹脂組合物［P］.中國，102382420A［P］. 2010， 09，06.

［4］王碧武，李杰，楊虎，等. 覆銅板用電子級氫氧化鋁［J］. 中國阻燃， 2012，2：24-27.

［5］辜信實. 無鉛FR-4覆銅板的開發(fā)［J］. 印制電路信息， 2005， 7：18-20.

［6］胡新星，孫麗麗，劉豐，等. 印制電路板分層問題研究［J］. 印制電路信息， 2013， 7：22-26.

方克洪，高級工程師，研發(fā)組長，主要從事覆銅箔層壓板的技術研究與產(chǎn)品開發(fā)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