一、完工板長(cháng)期可靠度之評估

電路板測試法IST，可用以快速評估出完工多層板的可靠度如何。其考試板之密集通孔系採用Daisy Chain之串連設計，試驗時(shí)刻意對各通孔同步施加電流，在電阻作用下將產(chǎn)生150℃的高溫，斷電后又可回到室溫，如此快速熱循環(huán)之IST測試，可用代替傳統性極為耗時(shí)的熱循環(huán)試驗〈通常需168小時(shí)以上）。試驗結束后，計算考試板在電性失效前〈指電阻値增加10%，總共可以忍受熱循環(huán)試驗多少次數，即可當成通孔長(cháng)期可靠度的一種指標。測試后當電阻値上升達10%而失效時(shí)，事實(shí)上從進(jìn)一步的微切片上即可看到銅孔壁的微裂情。IST可評估出通孔鍍銅之電性品質(zhì)，頗能模擬PCB經(jīng)過(guò)多次組裝焊接升溫曲線(xiàn)后的電性可靠度。

圖1、左圖爲IST多次循環(huán)后，孔中央銅壁斷裂的情形，右圖爲孔口斷裂的情形

表1、四種高Tg板材其Z軸CTE與Td的不同

為了評估完工板Z軸熱脹系數之下降，與Td在長(cháng)期可靠度方面的關(guān)系，研究者曾對各種基材之性能進(jìn)行比較。所選四種板材已事先經(jīng)過(guò)篩檢，以確定所測試的數據范圍，確已能夠涵蓋現今市場(chǎng)上大部分板材的可靠度規范，而此四種板材的詳細特性如表1所示。

首先，各待測試樹(shù)脂是配合7628玻璃布所組成的基板，用以測定其CTE值，多層板常因不同的組合方式，而具有不同的CTE値。

A板材為T(mén)g 175℃的FR-4傳統性基材，而另一種Modified A板材除了Z軸熱脹系數較低外，其馀特性皆與A相同。B產(chǎn)品之Z軸CTE與A產(chǎn)品相同，但其Td(350℃）卻較A者Td(310℃為高；C產(chǎn)品的Z軸CTE較低，且其Td亦很高。上表中Tg前Z軸CTE又稱(chēng)α-1CTE，Tg后又稱(chēng)α-2CTE。

圖2、四種板材之Tg均爲175℃，在耐熱性不同下，對于IST耐熱性循環(huán)次數的比較

評估所用的考試板為厚0.105"的20層板，其通孔孔徑0.012"?？妆陔婂冦~層之目標厚度為1.01mil ，實(shí)際測量之平均厚度約在0.7-0.8 mil左右，最小厚度亦達0.6mil 。就一般認知而言PCB制作的變異，極可能會(huì )對這項測試造成影響，因此所有試樣的流程皆刻意使之相同，以期能將製程誤差減至最小。圖15即顯示完工板發(fā)生電性失效時(shí)，其所對應IST熱循環(huán)次數的對比。圖中三種顏色分別代表完工板全無(wú)預熱處理、以及在230℃下預熱3次和6次的對照情形。

不同了Td的板材，其IST試驗的結果也會(huì )出現明顯差異。Td為310℃者，無(wú)法忍受200次以上的熱循環(huán)試驗。而相較之下，Td為350℃者，可忍受的熱循環(huán)試驗皆已超過(guò)500次。實(shí)驗數據證實(shí)Z軸較小的基材，其電性可靠度也較佳，但影響程度卻仍不及高Td者來(lái)得明顯。此外，實(shí)驗參數的設定范圍必須盡可能的加以擴大，以證實(shí)降低Z軸CTE確實(shí)具有某些優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也應測試各樣品間Z軸CTE的差異?？偨Y說(shuō)來(lái)，在試驗參數范圍內，初步結果說(shuō)明丁Td較高之材料，其可靠度改善的幅度也較大；至于Z軸CTE較低者，對可靠度雖確有助益，唯改善幅度較不顯著(zhù)而已。

二、抗CAF性

陽(yáng)極性玻璃束漏電現象CAF為近年來(lái)對基板的研究重點(diǎn)，當電路板持續邁向密集組裝而逼近其通孔之間距，與無(wú)鉛焊接之熱量增加時(shí)，CAF受到矚目的程度也就愈大。本文并不打算深入探討此漏電現象，然而，近來(lái)研究者發(fā)現，當FR-4基材中的硬化劑若放棄雙氰胺配方Dicy的話(huà)，則其抗CAF性會(huì )較仍使用Dicy的基材為圖四種板材在抗方面循環(huán)次數的比較佳。主要原因是Dicy極性較強，以致吸水性較大較快之故。B產(chǎn)品與C產(chǎn)品即為非Dicy硬化劑的基材，其抗CAF性就比含Dicy的A產(chǎn)品及其他同類(lèi)板材來(lái)得優(yōu)秀。圖3爲一張以C產(chǎn)品所疊構組成的10層考試板，試驗中刻意施加100VDC的偏壓，并針對四種孔距，量測其高溫高濕老化中其平均絕緣電阻値的對比，讀者們清楚可見(jiàn)孔距愈近者其抗CAF的本領(lǐng)就愈差了。

圖3、四種PCB板材在抗CAF方面循環(huán)次數的比較

圖4.此二俯視圖均爲通孔之間板材已發(fā)生CAF失效之切片情形

六、電性因素

電性為新式基材所必須考量的另幾項特性，尤其在高頻領(lǐng)域中特別重要。如先前文所言，介質(zhì)常數(Dk)與散失因素(Df)即為兩項重要參數。耐熱已改良之FR-4 基材，幸好在電性表現并未出現太大的劣化。研究者曾使用一種複雜的參數用以量測Dk及Df。表2系使用板條式之波導測量基材A、B、C及另兩種競爭者板材的Dk測値，表3則為上述5種板材的Df測値。本次試驗所用的基板是由2116玻璃布組成，其膠含量為50%by wt。

由表2得知，這五種受測板材的Dk都十分接近，唯D板材者呈現稍微降低之較好情形。然而，Df之差異卻較為明顯，B與D之Df顯然較高而較差，而B(niǎo)和E之Df又十分類(lèi)似傳統的FR-4材料。

表2、新式FR-4板材于高頻環(huán)境下時(shí)的Dk值

表3、新式FR-4板材于高頻環(huán)境中所測的Df值

三、結論

就現況而言，電路板業(yè)界潮流驅使FR-4板材精益求精，其首要研發(fā)重點(diǎn)即為基材耐熱性的改良，以及抗CAF性的提升。但卻必須在不能危害其他物性(如電性)的情況下進(jìn)行改善。當然，只單純改良板材中的一兩項物性其實(shí)并不困難，但若欲兼顧電路板制作穩定及成本考量，又還希望能兼善板材的整體特性者，則將很不容易。

其他歸納出來(lái)的結論尚可包括：

1、基材雖需明訂Tg之規格，但其實(shí)已不足以應付無(wú)鉛焊接的應用。

2、板厚Z軸CTE的降低，已確能改善基材的長(cháng)期可靠度。

3、必須提升樹(shù)脂的Td，以保証其耐熱性。讀者們由本文所敘述各種可靠度試驗可知，基材之Td對其整體長(cháng)期可靠度的影響已極為關(guān)鍵。