一、FR-4板材之持續革新

簡(jiǎn)言之，電路板基材主要包括銅箔、樹(shù)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(lái)的變革時(shí)，卻會(huì )發(fā)現基材內容的復雜程度著(zhù)實(shí)令人難以想像。由于電路板廠(chǎng)家對于無(wú)鉛時(shí)代基材品質(zhì)的要求日益嚴苛，致使樹(shù)脂與基板之性能與規格，無(wú)疑地將更趨複雜?；墓趟庥龅奶魬?，是必須在客戶(hù)各種需求間找出最佳的平衡點(diǎn)，以期獲得最經(jīng)濟的生產(chǎn)效益，并將其產(chǎn)品數據提供給整體供應鍊作為參考。

綜觀(guān)FR-4板材的發(fā)展歷史，多年來(lái)某些業(yè)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(shí)，板材供應商就必須戮力以赴，期能符合客戶(hù)需求。近年來(lái)，市場(chǎng)最明顯的發(fā)展趨勢即為高Tg板材需求量的大增。實(shí)際上，許多業(yè)者關(guān)于Tg議題的瞭解，似乎都說(shuō)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(shuō)明下世代FR-4板材所需具備的特質(zhì)，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(wú)鉛焊接的挑戰。

二、主導基板規格的業(yè)界趨勢

正在進(jìn)行中的多項產(chǎn)業(yè)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(huán)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(xiàn)密度，欲達此種目標的方法有三種：首先是縮減其線(xiàn)寬線(xiàn)距，使單位面積內可容納更多更密集的佈線(xiàn)；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(xiàn)路愈佈愈多時(shí)，其工作溫度勢必會(huì )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(zhì)層進(jìn)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(jìn)而使得Z方向熱脹效應變大。選用較薄的介質(zhì)層時(shí)，則意味著(zhù)必須使用膠含量較多的基板與膠片；但膠含量較多者，又會(huì )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(shí)，則其導通孔佈局亦將排列的更為緊密。但此舉卻會(huì )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(fā)生橋接現象，進(jìn)而導致短路。此種陽(yáng)極性絲狀漏電現象 (CAF)正是目前無(wú)鉛時(shí)代對板材關(guān)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(wú)鉛焊接中狀況頻出。

2.2、環(huán)保法規

環(huán)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(huì )影響板材規格之制訂。在眾多法規中，RoHS限制焊接時(shí)的鉛含量。錫鉛焊料已在組裝廠(chǎng)行之多年，其合金之熔點(diǎn)為183℃，而熔焊製程溫度一般約為220℃。無(wú)鉛主流銲料之錫銀銅合金（如SAC305其熔點(diǎn)約為217℃ ，通常熔焊時(shí)的峰溫將高達245℃。焊接溫度上升，代表著(zhù)基材必須具備更好的熱穩定性，才能忍受多次熔焊所帶來(lái)的熱衝擊。

RoHS指令也禁用某些含鹵素的耐燃劑，包括聚臭聯(lián)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(shí)并不在RoHS的黑名單上。儘管如此，由于含TBBA的板材在升溫時(shí)會(huì )產(chǎn)生不適當的灰化反應，致使某些整機品牌商仍考慮改採無(wú)鹵材料。

2.3、電性要求

高速、寬頻、與無(wú)線(xiàn)射頻之應用，迫使板材還需具備更好的電性表現，亦即介質(zhì)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(shí)還不得不在熱穩定性出現遜色，唯其如此，其市場(chǎng)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(wú)鉛市場(chǎng)需求的耐熱穩定性，其必須注意的物性有：玻璃態(tài)轉化溫度(Tg)、熱脹系數CTEs、以及因應高溫無(wú)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(tài)轉化溫度（Tg)

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

所有物質(zhì)都會(huì )因溫度改變而產(chǎn)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(xiàn)所延伸虛線(xiàn)的交點(diǎn)，其所指示的溫度，即為此基材之Tg 。此種Tg前后曲線(xiàn)斜率之巨大差異， 說(shuō)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(huì )影響完工板的可靠度，且對下游組裝更為重要，是故所有業(yè)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(guò)，一般人總認為T(mén)g是一個(gè)相當固定的溫度點(diǎn)，其實(shí)不然，由圖1中的曲線(xiàn)弧度得知，板材在溫度上升至Tg附近時(shí)，其物性就會(huì )開(kāi)始發(fā)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(shuō)明。當試樣增溫中Z軸板厚逐漸漲厚的情形

當此熱脹曲線(xiàn)由室溫玻璃態(tài)的α-1CTE斜率，轉折到高溫橡膠態(tài)之α-2CTE斜率時(shí)，其間過(guò)渡態(tài)所對應的溫度范圍即為T(mén)g

除了TMA測試法外，尚另有"示差掃瞄熱卡分析法"（DSC）以及"動(dòng)態(tài)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(huì )改變樹(shù)脂在Tg范圍內的溫度遞增。至于利用DSC所測得之Tg，通常會(huì )較TMA測量結果高出約5℃。另一種動(dòng)態(tài)熱機分析法之DMA則是測量板材模數與溫度的關(guān)系，其讀値將會(huì )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(huán)境中，監視各種完工板材在Z方向耐熱裂解的時(shí)間，簡(jiǎn)稱(chēng)為T(mén)260 、T288與T300 ；以模擬多次無(wú)鉛焊接中是否會(huì )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(chēng)是一項因無(wú)鉛而導致FR-4 板材的重大改革。

圖2、此圖說(shuō)明Tg與α-2CTE對板材耐強熱的差異，由此圖可知在無(wú)鉛焊接的強熱中，其等α-2CTE要比Tg更為關(guān)鍵。

3.2、熱脹系數（CTEs)的詮釋

眾多文獻均表示高Tg即代表樹(shù)脂品質(zhì)較好，然而無(wú)鉛焊接之情況卻不盡然如此。通常高Tg無(wú)疑地會(huì )延緩樹(shù)脂發(fā)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(lèi)而各異。Tg較低的板材，其總體熱脹量也較少。此外，在樹(shù)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(shù)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(yíng) 。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(jiàn)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(jìn)而導致熱脹速率的差異。此圖3中三種材料的主要差異為T(mén)g后之熱脹系數α-2CTE彼此有別?？偠灾?，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(shí)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(shuō)明Tg與CTE兩者之關(guān)系。高Tg 板材的優(yōu)點(diǎn)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(guò)在少數特例中，高Tg板材也有可能比低Tg在的CTE方面來(lái)得還大，因此，在選擇板材時(shí)，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(jìn)行熱循環(huán)試驗時(shí)，通孔銅壁所感受的應力也會(huì )隨之不同。圖3中的C材就同時(shí)具有高Tg與低CTE等雙重優(yōu)點(diǎn)。

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

3.3、以TGA法找出裂解溫度

當電路板制作溫度升高時(shí)如(無(wú)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(shù)脂的化性或物性實(shí)際已發(fā)生劣化時(shí)的溫度。此種性，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(shù)脂裂解而失重達5%時(shí)，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(wú)鉛焊接的更高溫環(huán)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(guò)之。

圖4，板材抵抗無(wú)鉛強熱的另一項更重要品質(zhì)，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(guò)5%者，該溫度即稱(chēng)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(shí)的溫度，但當減重已至2-3%時(shí)，即可視為樹(shù)脂已開(kāi)始發(fā)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(fā)生裂解現象。然而，無(wú)鉛熔焊之溫度至少須再提高25℃在此等強熱環(huán)境中傳統板材將會(huì )發(fā)生2-3%的減重，此種情況中將會(huì )產(chǎn)生不同程度的樹(shù)脂裂解。

為了瞭解多次熔焊過(guò)程，并比對傳統錫鉛焊接和無(wú)鉛焊接SAC之影響起現，可試以TGA進(jìn)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(niǎo)與C之Td另為350℃。圖5與圖6之數據分別說(shuō)明在235℃及260℃的熱循環(huán)試驗下，各板材累計失重的趨勢圖。
將TGA試溫恒定于235℃ ，經(jīng)多次循環(huán)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(jiàn)到三種板材均未失重而保持良好

將TGA試溫恒定于260℃，經(jīng)多次循環(huán)后的失重比較

圖6 ，但若將TGA的試驗溫度提升到260℃而模擬無(wú)鉛焊接時(shí)，經(jīng)多次試驗后，發(fā)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(méi)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(shù)脂卻開(kāi)始發(fā)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

電路板廠(chǎng)家經(jīng)常用到的板材中的環(huán)氧樹(shù)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(chēng)之為黏彈性。當某物體具有"黏彈性" 時(shí)，一旦受到外力的拉伸或壓迫時(shí)，當該物體會(huì )發(fā)生與施力方向相同的變化者，稱(chēng)之為彈性；若發(fā)生與施力方向垂直方向的變化者，稱(chēng)之為黏性。此種黏彈性會(huì )隨時(shí)間，溫度，與冷熱頻率而逐漸變化。若將樹(shù)脂板材刻意在DMA的高溫中〈235 ℃、 260℃ 〉，以「動(dòng)態(tài)熱機分析法」（DMA），多次量測其Tg與儲存模數量時(shí)，一旦發(fā)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(lèi)監視板材耐熱品質(zhì)的精密方法，現以圖示方式說(shuō)明于后。

圖7，左圖為儲存模量的簡(jiǎn)要說(shuō)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(dòng)，

其次是超級球經(jīng)自由落地后反彈極高。而常見(jiàn)的網(wǎng)球，自由落地后反彈的高度即可視為仍?xún)Υ婺Ａ浚?

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(huán)試驗中，量測分析其板材Tg的變化。當在235℃時(shí)，三種板材之Tg都維持在175℃以上而沒(méi)有明顯變化。然而當峰溫再升高達260℃時(shí)，Td為310℃的現行"標準"式A材，即已明顯發(fā)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(shù)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(guān)與重要組件的說(shuō)明，右圖為試樣一種承載架的詳細畫(huà)面，

系將試樣板片的左右加以固定，中央夾具則可上卞浮動(dòng)，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(chǎn)生的應變方向與施力方向完全相同者稱(chēng)彈性，應變方向針對施力方向落后90度者者稱(chēng)爲黏性，

介于其間者即爲黏彈性。將DMA試溫恒定于235℃，對Tg進(jìn)行多次試驗的變化情形

圖10.動(dòng)態(tài)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(shí)，

若讀值皆未變化，則表該板材在該溫度中尚稱(chēng)穩定。

將DMA試溫恒定于260℃，對Tg進(jìn)行多次試驗的變化情形

圖11 ，若以DMA另行模擬無(wú)鉛焊接的260℃高溫中，刻意多次量測其Tg，發(fā)現行常用A產(chǎn)品之Tg不斷下降，

即表示該種A板材已在高熱中發(fā)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(chēng)硬挺性，板材經(jīng)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(huì )愈來(lái)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(guān)，此二物性對于PCB下游組裝廠(chǎng)堪稱(chēng)非常重要。因為硬挺性較佳者，可于熱循環(huán)中仍保持其抗撓強度（耐彎曲性），進(jìn)而使得在元件焊接時(shí)，較能避免板面下凹或板彎板翹的缺點(diǎn)。圖12及圖13分別表達板材A與B在235℃及260℃的多次循環(huán)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(huì )降低， 且在260℃的試驗中下降更為嚴重，此即說(shuō)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(jīng)，八多次循環(huán)測試后進(jìn)一步証明了耐熱性的良好。

在235℃恒溫中以多次循環(huán)測試后，其儲存模數的變化比較

圖12.當A與板材經(jīng)過(guò)DMA在235℃中多次測試其Tg時(shí)，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(zhì)已不如B材。在260℃恒溫中以多次循環(huán)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(wú)鉛焊接時(shí)，發(fā)現DMA試驗后A材儲存模量的下降更為嚴重。