2.2.1 基材的几项关键性能

基材的诸多性能中，有的是对所有印制板通用，有的是适应于不同用途印制板的特殊需要。所谓特殊需求，只不过是指基材具体的技术指标在某些方面表现得更为突出。对于高速电路印制板，就需要基材的介电常数和介质损耗等特性方面更为突出，对于其他的特性也要兼顾。因为对任何印制板都需要考虑焊接性能和某些物理性能，所以对于无铅焊接用印制板的基材，通常必须认真考虑以下几项关键性能。

1.耐热性能

目前印制板多数为表面安装用的印制板，印制板用的基材在焊接过程中必定要经受较长时间的较高温度，尤其是提倡无铅焊接技术以后，由于焊接温度比有铅焊接时提高了 34℃以上，印制板能否经受得住焊接时的高温，对印制板的耐热性能是一个重大的挑战，也成为印制板设计和制造、安装共同关注的问题。表征覆铜板耐热性能的主要性能是基材的耐热性。

覆铜箔板主要由树脂与增强材料（如玻璃纤维布）组成，由于其中的增强材料大都具有相当高的耐热性，所以一种基板材料耐热性的高低，主要取决于树脂部分。构成基板材料的树脂绝大多数是高分子聚合物。高分子聚合物在受热过程中将产生两类变化：一类是软化和熔融等物理变化；一类是化学变化，主要表现为树脂的环化、交联、凝胶化（热固型高分子聚合物）、老化、降解、分解和在大气环境与热的作用下发生氧化、水分解等。这些物理、化学的变化，是高分子聚合物受热后性能变差的主要原因。反映这些变化的温度参数主要有玻璃化转变温度（T_g）、熔融温度（T_m）和热分解温度（T_d）。对于基板材料来讲，直接或间接表征它的热性能的技术参数，还有热膨胀系数、热分层时间（t₂₆₀、t₂₈₈）、浸焊耐热性、比热、热导率、弹性模量等。这些性能参数是了解和评价某种基板材料耐热性重要的依据或参考数据。以下将介绍其中最主要的几个参数。

（1）玻璃化转变温度（T_g）

玻璃化转变温度（T_g）指基材中聚合物从硬的和相当脆的状态（玻璃态）转变成黏稠的高弹态（又称橡胶态）时所处的温度。这一转变温度通常是在较窄的温度区域内变化。在常温下，覆铜板树脂为玻璃态呈刚性，在它被加热的情况下，由玻璃态转变为高弹态，即变软并有弹性的状态，所以又有的人习惯将这种状态称为“橡胶态”，此时所对应的转变温度称为“玻璃化转变温度”，普遍将它简称为“玻璃化温度”，英文缩写符号为 T_g。T_g是基材中高分子聚合物材料的特有性能。高聚物的玻璃化转变温度与形变的关系如图 2-3 所示。换句话讲，T_g是基板保持刚性的最高温度。由于这种变化是在一定温度范围内，所以T_g是指一个温度范围，如普通 FR-4 基材的 T_g为 125～140℃。覆铜箔板的耐热性、耐湿性、热膨胀系数、耐化学药品性、尺寸稳定性等特性，均与 T_g有关。也就是说，如果覆铜板的 T_g提高，可对上述各项性能方面都会有相应的改善。无铅 PCB 应选择具有高 T_g特性的CCL，以保证在较长时间高温焊接下具有良好的各项特性。

覆铜板中的树脂一般为非结晶态的高分子聚合物，它会因环境温度的升降而发生力学状态的三种变化。高聚物的树脂状态变化与形变有密切的关系。图 2-3 说明了这一变化过程和相互关系。随着温度的升高，树脂状态发生变化：玻璃态（图中A至B区）→高弹态（图中B至C区）→黏流态（图中C至D区）。在玻璃态时，由于温度较低，分子具有的动能小，高分子链段处于一种“呆滞”状态，它的形变很小。随着温度的升高进入高弹态，主链具有的动能虽不足以移动，但主链上的一些单链、支链却可以发生旋转，使得链段产生滑移，甚至卷曲的趋势，使得它的形变增大，表现在板的厚度上有明显增加，热膨胀系数增大。当温度再提高，树脂状态进入黏流态时，分子之间也可相对滑动，形变急剧增大，使板的内应力也明显增大，以至产生基材板的分层。

T_g的高低将会影响焊接时的耐温度高低。根据T_g的高低可以将覆铜箔层压板分为不同的耐热档次。通常将刚性玻璃布基覆铜板按照T_g划分为四个档次，见表2-5。

这种档次的划分包括采用不同树脂类型的覆铜板。对高耐热型覆铜板的 T_g值的要求，目前没有特别明确的规定。一般习惯上将第三、第四档次的 T_g要求的基板称为高耐热型覆铜板。

如果印制板使用条件的温度是在覆铜板的 T_g以上，那么覆铜板就会出现绝缘电阻恶化、基材树脂发脆的问题。高 T_g的覆铜板，要比一般低 T_g的基板材料具有更好的尺寸稳定性、较高的机械强度保持率、较低的热膨胀系数性、较高的耐化学性。高 T_g基板材料的优良性能，应在更大温度范围的环境下得到保持。但是 T_g过高的材料，硬度高、机械加工性变脆，难以机械加工。选择基材的 T_g时，应兼顾两者的关系，即采用的 T_g较高又较易于加工。这一特性，对于制造高精度、高密度、高可靠性、微细线路等的印制板，特别是多层印制板更为重要。在采用无铅焊接的多层印制板中，通常选用基材的 T_g应控制在 150～170℃左右较为合适。在高温场合下焊接和使用的印制板可以选用 T_g＞170℃的基材。一般高耐热型板材的价格较高。

（2）热膨胀系数（CTE）

覆铜箔板（CCL）的热膨胀系数是衡量基材耐热性能的又一重要指标。CCL 的 CTE 大小是树脂、增强材料与铜箔三种材料CTE综合的表现结果。三种主要组成材料中，树脂是对CCL的CTE影响最重要的因素。

热膨胀系数是指材料受热后在单位温度内尺寸变化的比率，以每摄氏度变化百万分之几表示（×10-6/℃）。基材的CTE在X、Y方向和Z方向不同。

① Z方向热膨胀系数。

由于热膨胀系数与环境温度条件有着很大的关系，在印制板的厚度方向的热膨胀系数称为 Z 方向热膨胀系数，在温度达到基材的 T_g时，与在 T_g以下表现出很大的差别。因此，一般将CCL的厚度方向（Z方向）在T_g温度点以下的热膨胀系数，简称为α₁；在T_g点以上的热膨胀系数，简称为 α₂。在温度提高的条件下，由于树脂形变受到的增强材料的制约很小，因此CCL的Z方向热膨胀系数会表现出明显的增加。构成CCL的树脂，当它处于T_g温度以上的高弹态下的热膨胀系数（α₂），是处于 T_g以下的热膨胀系数（α₁）的 3～4 倍。Z 方向的CTE 较大，受热膨胀后由于树脂的膨胀尺寸大于孔壁的铜层膨胀尺寸，对孔壁铜层产生拉伸应力，会影响金属化孔的质量。

② X、Y方向热膨胀系数。

X、Y 方向热膨胀系数是 CCL 水平方向的热膨胀系数。水平方向的热膨胀系数大多表示的是在30～130℃温度范围的值。FR-4型覆铜板在T_g以上温度，它的X、Y 方向由于树脂被其中作为增强材料玻璃布的牵制，在环境温度提高，树脂产生形变时，覆铜板的 X、Y 方向CTE表现得变化不太明显。X、Y方向CTE大小，还有另外一种表示方式，即基板从50℃等速升到 260℃条件时的 X 方向或 Y 方向的尺寸变化率。X、Y 方向的 CTE 应与安装的元器件基体的 CTE 匹配，能降低焊点受热应力的影响，不然将会在焊接或使用时，由于温度变化引起焊点的应力变化和可靠性下降甚至失效。在采用无铅焊接技术或产品使用温度较高或变化较大时，应选择CTE较小或与所安装元器件基体的CTE相匹配的基材。

③ 温度升高条件下Z方向（板的厚度方向）的总膨胀尺寸百分比。

在 IPC-4101B 标准中对与无铅焊接相兼容的 FR-4 覆铜板规定了在升高温度 50～260℃的条件下，Z方向的总膨胀尺寸百分比。IPC标准中所列的无铅兼容性FR-4型覆铜板，基材牌号和树脂的 T_g不同，其总膨胀尺寸百分比有所不同，如：FR-4/126 型 T_g为 170℃的总膨胀尺寸百分比不大于3%，FR-4/99型T_g为150℃的总膨胀尺寸百分比不大于3.5%，FR-4/101型T_g为110℃的总膨胀尺寸百分比不大于4%。

一般 FR-4 型 CCL 的 X、Y 方向 CTE 为 13×10-6～16×10-6/℃，与铜箔的 CTE 相近（14×10-6～18×10-6/℃），Z 方向的 CTE，α₁为 50×10-6～70×10-6/℃，α₂为 200×10-6～300×10-6/℃，远大于铜的CTE。CTE型CCL的CTE没有统一规定，一般CCL的X、Y方向的CTE应在8×10-6～12×10-6/℃。X、Y方向的CTE更低的CCL产品，CTE可达到9×10-6/℃以下。如果环氧-玻璃布基覆铜箔层压板在树脂组成中加入了有利于降低 CTE 的无机填料，可使产品的CTE更低，能达到9×10-6/℃以下。

在IPC-4101B标准中，要求无铅兼容性FR-4型覆铜板的Z方向热膨胀系数见表2-6。

④ 低热膨胀系数多层板的半固化片。

多层印制板大多是采用 FR-4 型薄基材和半固化片制作。多层板的热膨胀系数由薄型基材和半固化片的热膨胀系数决定。FR-4 型半固化片主要由 E 型玻纤布与环氧树脂构成，该半固化片所用环氧树脂的CTE为85×10-6/℃，E型玻璃布的CTE为5×10-6/℃，所以半固化片的树脂含量越高，其 CTE 就越大，板的尺寸稳定性就越差。因此，制作较低热膨胀系数性多层板在选择半固化片时，不能选用含胶量指标过高的半固化片，以防增大多层印制板的CTE。

在印制板设计及制造过程中选用覆铜箔基材考虑低热膨胀系数时，应注意以下两个问题。一是根据不同应用场合选择低热膨胀系数覆铜板。在制造以下应用场合的印制板时，需要考虑采用低热膨胀系数覆铜板。

● 导线宽度和线距的尺寸精度高、孔径小、对位精度高的高密度互连印制板，如果CCL的热膨胀系数过大难以满足要求。

● 薄型化、极薄化多层板（6～10 层板的总厚度在 0.5mm 以下），要求所使用的基板材料热膨胀系数要有所降低，特别是在厚度方向的热膨胀系数。

● 采用无铅化焊接工艺，焊接温度提高，适应无铅化的覆铜板在热膨胀系数方面要有所降低，特别是在玻璃化转变温度以上时的热膨胀系数要降低。

● 有机树脂的新型封装器件中载板所用的CCL更应具有低CTE、高尺寸稳定性。

二是注意板材不同方向热膨胀系数的侧重性要求。不同用途印制板所用的 CCL，在低热膨胀系数方面的X、Y和Z方向的要求是有差异的，即侧重性不同。

表面安装印制板焊接连接部位的可靠性以及从导线、导通孔的间距尺寸精确度要求考虑，都更希望所使用的印制板在水平方向（X、Y方向）的热膨胀系数更小，以获得基板的高尺寸稳定性，此性能在当今不断发展的 IC 封装基板应用领域内要求更为强烈。水平方向的CTE 对于安装高密度的封装至关重要，半导体芯片的 CTE 通常在 6×10-6～10×10-6/℃范围。如果芯片安装在一般 CTE 型（板的 CTE 在 18×10-6～10×10-6/℃）基板材料制成的印制板上，该IC封装器件通过多次的热循环以后，由于热膨胀系数的差别大，可能造成焊点受力引起失效。而Z方向的CTE直接影响镀覆孔的可靠性，尤其对于板厚和孔径比较大的多层板，厚度方向膨胀尺寸过大会引起镀覆孔内较薄的铜镀层断裂。

从通孔安装的连接可靠性考虑，希望使用在板厚度方向的热膨胀系数更小的基板材料。用于无铅化的印制板，在进行元器件焊接时的温度较高（在 250℃温度以上，远超过 T_g温度），会使基材性能降低、劣化而引起焊盘脱落、基板分层、导通孔可靠性下降等质量问题。因此，从基材方面解决上述质量问题，主要是设法降低基材的 α₂值，即降低玻璃化转变温度以上的热膨胀系数，以适应无铅化生产。

高层数多层板或超高多层板的制作，既需要水平方向的CTE小，也需要它在厚度方向的CTE 小，这样才能对印制板高可靠性有保障。许多高密度、高速的多层印制板采用 FR-4 型的薄型基材和半固化片制作。这类材料由E型玻璃布与环氧树脂构成，其中环氧树脂的CTE为85×10-6/℃，而E型玻璃布的CTE为5×10-6/℃。基材和半固化片中环氧树脂含量越高，印制板基材的尺寸稳定性越差，CTE 就越大，选用基材和半固化片时不应选用树脂含量较高的材料。

（3）热分层时间（t₂₆₀或t₂₈₈）

热分层时间是印制板基材耐浸焊性能指标，指材料在规定的焊料温度下和规定的时间内焊接，基材不出现分层、起泡等破坏的现象。t₂₆₀是指在温度为 260℃时的耐焊接时间，适用于焊接温度较低的有铅焊接用基材。t₂₈₈是指在温度为 288℃时的耐焊接时间，适用于焊接温度较高的无铅焊接用基材。焊接的温度越高，在高温下停留的时间越长，越容易加大印制板基材的热膨胀和分层的可能性，会造成印制板的损坏。所以在焊接时希望热分层时间越长越好，但是，由于基材的耐热性主要由树脂决定，它与树脂性能有关，热分层的温度和时间总要有一个限度，能保证在规定的温度和焊接的时间内完成焊接操作，这样的基材就能满足要求。有铅焊接的温度较低，对基材的热分层温度要求较低，如果采用波峰焊时，经受焊接的时间也较短，热分层时间可以相对短一些。在 IPC-4101 标准中规定一般型 FR-4 基材的热分层时间在 260℃时为 10s，即 t₂₆₀=10s。这对无铅的再流焊是满足不了要求的，因为无铅再流焊温度较高、时间较长，所以热分层温度应高于288℃的时间为5min以上，即t₂₈₈＞5min，目前有些材料的t₂₈₈＞30min。

（4）热分解温度（Temperature of Thermal Decomposition，T_d）

基材中树脂材料受热分解，当材料失重 5%时的最高温度称为热分解温度。在此温度下材料的一些物理、化学性能降低，产生不可逆的变化，这通常通过一些热应力试验后的树脂状态变化和机电性能变化来反映。对于 FR-4 板材，热失重 5%时的热分解温度高于等于 340℃。在有铅焊接用基材中原来没有此项要求，在提倡无铅工艺后，由于焊接温度的提高和再流焊时间的加长，该项技术指标能反映出基材的耐焊接程度，越来越被印制板用户重视。

2.介电常数（ε）

ε 是基材影响高速、高频电路印制板阻抗特性的重要特性参数。它的物理含义是指：在规定形状的两电极之间填充介质而获得的电容与两电极之间为真空时的电容之比。介电常数影响高速信号在印制板上的传输速度，与信号传输速度的关系为

式中，v 为信号传输速度（m/s）；k 为常数（由布线的结构而定）；c 为光速（3×108m/s）；ε为介电常数。

从式中可以看出，信号的传输速度与基材的介电常数平方根成反比，介电常数 ε 值越大，信号传输速度 v 就越小。介电常数对信号线的特性阻抗有重要影响。信号传输衰减也与介电常数有关，通常介电常数小的基材介质损耗也小，高速信号在同样长度的印制导线上传输衰减就低。所以介电常数是高速电路印制板设计选用基材必须认真考虑的关键特性之一。

3.介质损耗角正切值

介质损耗角正切值又称损耗因子或介电损耗（Dissipation Factor，简称tanδ或Df），它是影响微波和高速印制电路基材传输特性的另一重要参数。其物理含义是指：印制板的基材中当信号或能量在电介质里传输时，其信号的能量在传输与转换过程中所消耗的程度，用损耗角正切值表示（tanδ）。介质损耗是指信号在介质中丢失，也可以说是能量的损耗。构成基材的绝缘介质是高分子材料，理想的情况下绝缘介质内部没有自由电荷，而实际上总是存在少量的自由电荷，因此会造成一定程度的电介质漏电和传输能量的损耗，这种自由电荷越多，漏电和损耗就越大，当高频或高速电信号通过时，在电磁场的作用下介质材料中自由电荷趋向于定向排列，但此时介质中的高分子材料分子间是相互交联的，由于化学键的束缚，自由电荷又不能真正实现定向，这样在高速或高频变化的电磁场作用下，材料中的分子链不停地运动，产生大量的热造成能量的消耗。极性高分子材料受电磁场影响大，因而介质损耗也大；非极性高分子材料受电磁场影响小，如聚四氟乙烯就是非极性高分子材料，因而介质损耗较小。介质损耗与基材的损耗因子的关系如下式：

式中，αd为介质损耗（dB）；k 为系数（27.3×f/c）；f 为频率；c 为光速（3×108m/s）；ε_r为相对介电常数；tanδ为介质损耗角正切值。

从上式可以看出，介质损耗与 ε_r的平方根成反比，与频率和损耗因子 tanδ 成正比，即tanδ 越大，介质损耗就越大，频率越高，损耗越大。所以选择损耗因子小的基材有利于降低高速电路信号传输在介质中的损耗。最直观的例子是传输中电能的消耗，如果电路设计损耗小，电池寿命可以明显增长；在接收信号时，采用低损耗的材料，天线对信号的敏感度增大，信号更清晰。

介质损耗影响高速信号的传输延迟和信号衰减，是高性能印制板基材的重要电性能之一。

4.耐离子迁移性（CAF）

耐离子迁移性（CAF）是绝缘基材在电场作用下能承受电化学绝缘破坏的能力。实际上是在印制板加电使用过程中，在电场作用下相邻的导线或金属化孔之间的金属溶解为离子，在两电极之间的绝缘层内或表面析出，而降低材料的绝缘电阻。CAF 表现为两种形式：一种是印制板表面的离子迁移，是在板的表面有离子污染和一定湿度的条件下产生的；另一种是导电的离子在材料内部沿玻璃纤维迁移。目前所说的“CAF”大多是指后一种情况。两者通常发生在电位差较大、间距较小的两相邻导线表面之间、相邻的金属化孔之间、金属化孔与相邻的导线之间或沿基材的玻璃纤维表面。高温、高湿会加重此现象的产生。吸湿性小的材料有利于减小CAF。

高速电路印制板通常布线密度高、导线间距小，尤其是差分电路的布线中，每一差分导线对的间距过小时，或者两相邻的电位差相差较大而间距较小的导线之间在加电长时间工作后容易发生 CAF，在印制板使用之前很难发现。它与基材中的介电材料的性能、表面树脂的覆盖程度和加工质量有关。在设计较高布线密度的印制板时，应特别关注基材的CAF特性，以免在印制板长期使用后导线间绝缘电阻下降影响电路正常工作。

5.耐漏电起痕性（CTI）

耐漏电起痕性（CTI）是指基材绝缘层受到规定的电解质（0.1%的氯化铵水溶液）侵蚀后，而没有出现漏电痕迹的最大电压。它与绝缘电阻、耐电压同是基材的重要电气性能。印制板加工和使用过程中，操作者触摸成品印制板的表面、涂覆阻焊膜前清洗不干净和焊接后对助焊剂清理不彻底造成印制板面的氯离子污染，当环境中湿度较大时会使CTI性能下降。

6.剥离强度

剥离强度是将单位宽度的铜箔从基材上拉起所需最小垂直于板面的力。基材的剥离强度越高，说明铜箔与基材中树脂的黏结力越强。剥离强度分为常态下和热应力试验后的抗剥离强度。热应力试验用于模拟印制板的基材在焊接后铜箔与基材树脂的黏结状况。剥离强度的大小还与铜箔的厚度有关，在相同的条件下铜箔较厚的基材大于铜箔较薄的基材。