一、FR-4板材之持续革新
简言之，电路板基材主要包括铜箔、树脂、以及补强材等三大原料。然而，若再深入研究现行基材及检视其多年来的变革时，却会发现基材内容的复杂程度著实令人难以想像。由于电路板厂家对于无铅时代基材品质的要求日益严苛，致使树脂与基板之性能与规格，无疑地将更趋复杂。基材供应商所遭遇的挑战，是必须在客户各种需求间找出最佳的平衡点，以期获得最经济的生产效益，并将其产品数据提供给整体供应链作为参考。
综观FR-4板材的发展历史，多年来某些业者们一直认为，FR-4板材已如明日黄花行之将尽，因此转而研究其他高性能替代品。每次当规格要求又有所增加时， 板材供应商就必须戮力以赴，期能符合客户需求。近年来，市场最明显的发展趋势即为高Tg板材需求量的大增。实际上，许多业者关于Tg议题的瞭解，似乎都说明了高Tg即具备了高效能，或较佳的可靠度。本文主要目的之一，系在说明下世代FR-4 板材所需具备的特质，已非Tg所能全然表达，于是乃再提出更多耐强热所应具备的全新规格，以因应无铅焊接的挑战。
二、主导基板规格的业界趋势
正在进行中的多项产业趋势，将促使重新配方板材的应市与採用，这些走向包括了多层板设计潮流、环保法规、以及电性需求等，现分述于下：
2.1.多广板的设计走向
目前PCB的设计趋势之一就是提高佈线密度，欲达此种目标的方法有三种： 首先是缩减其线宽线距，使单位面积内可容纳更多更密集的佈线；其次是增加电路板层数；最后则是减小孔径及銲垫之尺寸。
然而，当单位面积内的线路愈佈愈多时，其工作温度势必会上升。再者，不断增加电路板层数之际，也势必使得完工板同步变厚。否则就只能搭配较薄的介质层进行压合，以维持原先的厚度。PCB愈厚者，其通孔壁因积热所造成的热应力将越形增加，进而使得Z方向热胀效应变大。选用较薄的介质层时，则意味著必须使用胶含量较多的基板与胶片；但胶含量较多者，又会造成通孔Z方向热胀量与应力的再增。此外，减小通孔之孔径，不免又使得纵横比变大；因此为确保镀通孔的可靠度，所用之基材就必须具备较低的热膨胀以及较佳的热稳定性，才不致功亏一篑。
除上述因素外，当电路板组装元件密度增加时，则其导通孔佈局亦将排列的更为紧密。但此举却会使得玻璃束漏电之情势更趋紧张，甚至在孔壁间的基材玻纤中发生桥接现象，进而导致短路。此种阳极性丝状漏电现象(CAF)正是目前无铅时代对板材关注的主题之一，当然新一代的基材必须具有更佳的抗CAF能力，才不致于无铅焊接中状况频出。
2.2、环保法规
环保规章对于基材方面，在政治介入下又增加许多额外要求，例如欧盟之RoHS与WEEE等多项指令，都将会影响板材规格之制订。在众多法规中，RoHS限制焊接时的铅含量。锡铅焊料已在组装厂行之多年，其合金之熔点为183℃，而熔焊製程温度一般约为220℃。无铅主流銲料之锡银铜合金（如SAC305其熔点约为217℃ ，通常熔焊时的峰温将高达245℃。焊接温度上升，代表著基材必须具备更好的热稳定性，才能忍受多次熔焊所带来的热衝击。
RoHS指令也禁用某些含卤素的耐燃剂，包括聚臭联苯PBB及PBDE等。然而，PCB基材中最常用耐燃剂之四臭丙二酚TBBA，其实并不在RoHS的黑名单上。儘管如此，由于含TBBA的板材在升温时会产生不适当的灰化反应，致使某些整机品牌商仍考虑改採无卤材料。
2.3、电性要求
高速、宽频、与无线射频之应用，迫使板材还需具备更好的电性表现，亦即介质常数Dk与散失因素Df，不但必须抑低而且更须全板面中表现稳定，并还应妥备可控制性。符合此等电性需求者，同时还不得不在热稳定性出现逊色，唯其如此，其市场需求量与佔有率方得以日益增加。
三、基材之重要特性
为了顾及无铅市场需求的耐热稳定性，其必须注意的物性有：玻璃态转化温度(Tg)、热胀系数CTEs、以及因应高温无铅焊接而全新需求的耐裂解温度Td等，现分述于下：
3.1、以TMA法量测玻璃态转化温度（Tg)
玻璃态转化温度，是最常用以评断树脂基材特性的重要指标。所谓树脂的Tg ，是指该聚合物在升温到某种温度区间时，该树脂会由原先常温较坚硬的「玻璃态」（为非固定式组成固态物质之泛称〉，转变成为高温中具有塑性且较为柔软的「橡胶态」。各种板材在Tg前后之多种特性将会截然不同。
所有物质都会因温度改变而产生涨缩变化，Tg前基材的热膨胀速率通常较低较缓和。热机分析法（TMA）可记录基材尺寸对应于温度的变化，利用外推法可将两条曲线所延伸虚线的交点，其所指示的温度，即为此基材之Tg 。此种Tg前后曲线斜率之巨大差异， 说明了两者截然不同的热胀速率， 即所谓的α1与α2之热胀系数(CTEs)。由于板材之Z-CTE会影响完工板的可靠度，且对下游组装更为重要，是故所有业者对此均不可忽视。需注意的是，热胀量较小的对通孔铜壁所展现的应力也较少，因而可靠度方面也必然也较佳。不过，一般人总认为Tg是一个相当固定的温度点，其实不然，由图1中的曲线弧度得知，板材在温度上升至Tg附近时，其物性就会开始发生幅度较大的变化。
图1.此为热机分析法TMA，针对试样量测其Tg的说明。当试样增温中Z轴板厚逐渐涨厚的情形当此热胀曲线由室温玻璃态的α-1CTE斜率，转折到高温橡胶态之α-2CTE斜率时，其间过渡态所对应的温度范围即为Tg
除了TMA测试法外，尚另有"示差扫瞄热卡分析法"（DSC）以及"动态热机分析法"等两种途径可以测量Tg。不同于TMA者，DSC之分析是测量板材热流量对应于温度的变化，吸热或放热反应都会改变树脂在Tg范围内的温度递增。至于利用DSC所测得之Tg，通常会较TMA测量结果高出约5℃。另一种动态热机分析法之DMA则是测量板材模数与温度的关系，其读値将会更高出15℃以上，IPC规范较认同于TMA之测値。
上述TMA热分析仪器，除了可用以量测完工板材的Tg外，尚可将完工板材放置在其高温试皿中，在所设定260℃、288℃或300℃的高温环境中，监视各种完工板材在Z方向耐热裂解的时间，简称为T260 、T288与T300 ；以模拟多次无铅焊接中是否会出现爆板与裂层。目前IPC-4101B已将上述三项做法列入规格单中，堪称是一项因无铅而导致FR-4 板材的重大改革。
图2、此图说明Tg与α-2CTE对板材耐强热的差异，由此图可知在无铅焊接的强热中，其等α-2CTE要比Tg更为关键。
3.2、热胀系数（CTEs)的诠释
众多文献均表示高Tg即代表树脂品质较好，然而无铅焊接之情况却不尽然如此。通常高Tg无疑地会延缓树脂发生快速热膨胀前的起始温度，至于其总体热胀量，则因板材之种类而各异。Tg较低的板材，其总体热胀量也较少。此外，在树脂中加入某些塡充料者亦可降低其CTE 。由上图2所示之三种树脂材料可看出，C材的Tg较A材为高，但因C材的CTE値在Tg之后便后急速上升，故其总体热膨胀量远比A材更大而更差。再以A与B为例，若两种材料在Tg前后之CTE皆相同，但Tg较高的B ，其总热胀量仍将低于A 。最后，虽然B与C的Tg都相同，但由于B在Tg后的CTE较低，故B的总体热胀量也就相对较少了 。
由下图3中可另见到三种板材的Tg皆为175℃ ，但却因其等Z轴热胀系数有所不同，进而导致热胀速率的差异。此图3中三种材料的主要差异为Tg后之热胀系数α-2CTE彼此有别。总而言之，板材之总体热胀系数较低者，将有助于其通孔铜壁可靠度的改善。
事实上，世事却不尽然如此！在继续讨论基材其他重要特性之前，必须先说明Tg与CTE两者之关系。高Tg 板材的优点之一，是Z轴热胀系数较低，故具有较低的总体热胀量，因此可延缓Tg后尺寸快速热胀的不利现象，并可减少铜壁中的残馀应力。
不过在少数特例中，高Tg板材也有可能比低Tg在的CTE方面来得还大，因此，在选择板材时，还必须将CTE考虑在内。各板材的Tg虽相同但其CTE也可能不同，当进行热循环试验时，通孔铜壁所感受的应力也会随之不同。图3中的C材就同时具有高Tg与低CTE等双重优点。
图3，此图说明三种板材的Tg都在175℃，但其等α-2CTE却不同，此时当然要选Tg后热胀最小的C材，才最有利于无铅焊
3.3、以TGA法找出裂解温度
当电路板制作温度升高时如(无铅焊接），板材的裂解温度Td将变得极为重要。裂解温度是指树脂的化性或物性实际已发生劣化时的温度。此种特性，可用"热重分析法"（TGA)加以测量。TGA可测量试样重量相对于升温的变化。当试样在高温中因树脂裂解而失重达5%时，其所对应之温度即为该材料的裂解温度Td。图4中，两种FR-4材料之Tg虽然相同，但其Td却有所差异。无铅焊接的更高温环境中，板材的Tg虽仍为一项重要的参数，但Td之重要性却更有过之。
图4，板材抵抗无铅强热的另一项更重要品质， 就是耐热裂温度（Td)。其定义是当板材在TGA高温中受热分解而失重超过5%者， 该温度即称之为热裂温度，图中传统FR-4 之Td为320℃ ，而强化FR-4之Td为350℃。
Td的定义虽为试样减重达5%时的温度，但当减重已至2-3%时，即可视为树脂已开始发生劣化而裂解。由图4所示，传统锡铅熔焊之峰温可达210-235℃ ，最常使用者约为225℃ ，在此温度范围内，板材尚不至于发生裂解现象。然而，无铅熔焊之温度至少须再提高25℃在此等强热环境中，传统板材将会发生2-3%的减重，此种情况中将会产生不同程度的树脂裂解。
为了瞭解多次熔焊过程，并比对传统锡铅焊接和无铅焊接SAC之影响起现，可试以TGA进行大量分析。上图3中是以三种板材为例；这些板材的Tg皆为175℃ ，但A的Tg为310℃，而B与C之Td另为350℃。图5与图6之数据分别说明在235℃及260℃的热循环试验下，各板材累计失重的趋势图。
图5，以TGA方式在235℃：模拟有铅焊接的多次试验中，可见到三种板材均未失重而保持良好
将TGA试温恒定于260℃，经多次循环后的失重比较
图6 ，但若将TGA的试验温度提升到260℃而模拟无铅焊接时，经多次试验后，发现A材已逐渐减重而失效
由图5所示可知，四种板材不论Tg或Td如何，在235℃的峰温试验中，其等重量几乎都没有因损失而劣化。然而，图6却显示不同的故事，在更高温260℃的多次试验下，Td较高的板材几乎仍未出现减重，但Td较低的一般性板材，其树脂却开始发生明显劣化，以致急遽出现减重之情形。
3.4以DMA法量测板材的储存模数
板材中的环氧树脂，常温中是一种在具有弹性的聚合物，但高温中变软后却又具有黏性，特称之为黏弹性。当某物体具有"黏弹性" 时，一旦受到外力的拉伸或压迫时，当该物体会发生与施力方向相同的变化者，称之为弹性；若发生与施力方向垂直方向的变化者，称之为黏性。此种黏弹性会随时间，温度，与冷热频率而逐渐变化。若将树脂板材刻意在DMA的高温中〈235 ℃、260℃ 〉，以「动态热机分析法」（DMA），多次量测其Tg与储存模数量时，一旦发现某板材在此二项特性均出现数据之下降者，即表该板已出现耐热性不良的劣化了 ，是另类监视板材耐热品质的精密方法，现以图示方式说明于后。
图7，左图为储存模量的简要说明，首先是黑色的泥土球，在极少黏弹性下，自由落地后几乎停止不动，其次是超级球经自由落地后反弹极高。而常见的网球，自由落地后反弹的高度即可视为仍储存模量，而距原高度所损失的落差即为损失模量。右图即为两者在升温中遂渐下降的趋势，以及Tg的区域。
下图10与图11系使用DMA对三种板材Tg所测得的结果，分别设定于235℃及260℃的热循环试验中，量测分析其板材Tg的变化。当在235℃时，三种板材之Tg都维持在175℃以上而没有明显变化。然而当峰温再升高达260℃时，Td为310℃的现行"标准"式A材，即已明显发生Tg逐渐下降的劣变情形。相较之下，Td为350℃的板材B与C，其纵轴的Tg数値仍然十分稳定。由于树脂成分的不同，甚至在多次加温中聚合度稍增下，还使得Tg稍微增加了几度。
图8，右图为DMA仪器的外观与重要组件的说明，右图为试样一种承载架的详细画面，系将试样板片的左右加以固定，中央夹具则可上卞浮动，在垂直方向施加上下的外力后，该试即反应出弹性与黏的讯号数据。
将DMA试温恒定于235℃，对Tg进行多次试验的变化情形
图10.动态机械分析可用以量测有机板材的黏弹性与储存模数。当于235℃模拟有铅焊接之高温中多次测试Tg时，若读值皆未变化，则表该板材在该温度中尚称稳定。
将DMA试温恒定于260℃，对Tg进行多次试验的变化情形
图11 ，若以DMA另行模拟无铅焊接的260℃高温中，刻意多次量测其Tg ，发现行常用A产品之Tg不断下降，即表示该种A板材已在高热中发生热裂解了 。而Tg仍能维不致下降者，即表其已具良好的抗热性。
模量可视为聚合物的刚性；或称硬挺性，板材经多次高温后，凡耐热性较差者，其模量自必有所损失，而所剩馀的储存模量当然就会愈来愈少了 。DMA还可测量板材的"储存模数"；此种储存模数与材料的抗挠强度和硬挺性有关，此二物性对于PCB下游组装厂堪称非常重要。因为硬挺性较佳者，可于热循环中仍保持其抗挠强度（耐弯曲性），进而使得在元件焊接时，较能避免板面下凹或板弯板翘的缺点。图12及图13分别表达板材A与B在235℃及260℃的多次循环试验下，其储存模量的百分比变化情形。由本测试结果显示，Tg为175℃所谓的"标准"A板材，不论在235℃或260℃的多次DMA试验后，其储存模量都不免会降低， 且在260℃的试验中下降更为严重，此即说明其抗热性仍有待加强。Tg为175℃及Td为350℃的板材B，则在两种峰温中经，八多次循环测试后进一步証明了耐热性的良好。
在235℃恒温中以多次循环测试后，其储存模数的变化比较
图12.当A与板材经过DMA在235℃中多次测试其Tg时，由于其Tg不断下降之储存模量也在不断下降，换言之人材耐强热性质已不如B材。
在260℃恒温中以多次循环测试后，其储存模数的变化比较
图13.若再将A材与B材模拟260℃之无铅焊接时，发现DMA试验后A材储存模量的下降更为严重。
作者：雷磊
来源：磐信电路板
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