高頻高速板材于通信產品的需求及可靠性研究

鐘國賓

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣東廣州，510663）

0 引言

通信系統產品的發展方向就是高頻高速，在進行設計系統產品單板期間，重要基礎就是PCB，為了達到高密度的發展需求，應該確保通信系統產品的應用年限超過十年，而且具備較高的可靠度。而且通信產品單板的電子裝聯已經處于無鉛時代發展背景中。為了實現無鉛SMT焊接工藝要求，在板材焊接的耐熱方面，具有更高的標準，所以應該采取科學的舉措，積極的評價板材工藝設計性能。

1 通信系統產品對高頻高速板材的技術要求

在介電常數的影響因素及現狀方面，高頻高速化PCB特性、板材介電特性通常是體現于三個方面的關系。第一，存在較小的傳輸損失、短暫的傳輸延遲時間、信號傳輸失真小；第二，介電特性優越，介質損失角正切性tanδ（Df）。此介電特性需要在改變環境（頻率、濕度、溫度等）的情況下依然保持穩定；第三，特性阻抗高精度控制。PCB用板材的高頻高速特性，密切的關聯于多種組成材料，其中最主要的就是樹脂、增強材料、銅箔等，同時也跟工藝條件等具有一定的關聯性。

按照IPC（國際電子工業聯接協會）提出的報告內容，遵循板材的Df（介質損耗）大小可以分成不同的等級，一共是七種。此分類表發布以來，電子產品、板材行業發展歷經的十多年之久，世界范圍內的各板材廠家也在不斷的豐富發展著產品的種類、產品的性能。松下Megtron系列高速板材屬于高速板材行業技術引領者，其都有各類等級產品的發布。中國臺灣廠家的高頻高速板材技術發展迅猛，中損、超低損耗產品都有所發布，性能較好。國內包括生益科技、華正、上海南亞等板材廠家，也在發布中損等級板材型號，而且在積極的開發研究更高規格等級的產品。高頻高速板材樹脂類型及對應的產品如圖1。

圖1 高頻高速板材樹脂類型及對應的產品

另外，通信系統產品PCB具備更加復雜化的設計要求，應用場景不盡相同，需要PCB具有不同的設計需求。例如，25G高速產品中，設計需求就是疊層16-24層，陣列孔需要具有超過0.8mm的間距，2OZ內層厚銅，板厚度是2.4-3.0mm，PCB外形控制不超過500mm的尺寸之中；射頻產品的設計需求就是，2-6層的疊層，陣列孔是0.8mm的間距，板厚1.6-2.4mm，外形尺寸不超過500mm；56G高速產品中，設計需求是疊層24-34層，陣列孔是超過0.7mm的間距，2OZ內層厚銅，板厚度是3-4mm，外形尺寸大概是600mm。

2 高頻高速板材工藝可靠性測試研究

2.1 設計實驗板

板材工藝可靠性測試期間，應該建立在相應產品的需求基礎上進行設計實驗板，而且確保實驗板對產品用的關鍵設計信息包含，諸如明確好疊層、板厚、密集孔陣列規模以及孔間距、內層銅厚、外形大小等等。表面圖形設計，主要是在銅箔剝離力以及漲縮等滿足性測試及熱應力、溫循等長期可靠性測試的模塊中進行應用。

2.2 測試方案

按照各產品的應用場景，聯系起PCB設計的需求，考慮到行業應用較多的IPC標準，制定高頻高速板材工藝可靠性測試要求。包括：前處理，實施濕熱老化測試、無鉛回流焊（耐焊接熱）測試，驗收的要求就是無分層以及起泡等缺陷；符合性測試，展開銅箔剝離強度測試（驗收要求即＞0.7N/mm）、介質耐電壓（安規要求）測試（驗收要求即無飛弧或擊穿）、偏移量測量測試（驗收要求即≤127.0μm）；保障基于不同的PCB設計要求前提下不同等級高頻高速板材達到通信產品十年應用年限的要求，特別是對于密集孔設計能力，落實熱應力測試（驗收要求沒有爆板、分層、銅皮剝離等缺陷）、耐潮濕與絕緣電阻測試（絕緣電阻值≥100MΩ）、陽極玻纖紗漏電（絕緣電阻要求至少≥100MΩ，500 h）等測試。

2.3 IST機理及失效案例

IST也被稱作是直流電感應熱循環測試，通常實施菊花鏈型交錯的內測連接 線相連起孔壁。導通電阻設置的區間范圍0.15Ω-1.5Ω，以加入進直流通電的模式，在三分鐘之內，提升銅面的溫度到指定范圍，之后兩分鐘內進行降溫到室溫狀態（強制性），對于兩個阻值采取四線端子測量，一個循環的時間是5分鐘，如果結果失敗，則顯示阻值在10%之上。測試期間，設備進行實際溫度的監控時，主要是經目標電阻和熱阻系數、溫度的關系實現的。

第一個失效案例為以下：某56G高速板材，IST實驗在測試孔區域間距0.80mm/1.00mm。實驗板五次無鉛再流焊光板過爐后，IST測試250個循環過程中，測試鏈路鏈接電阻超過了百分之十，結果發現增加了菊花鏈設計孔電阻，測試孔孔壁單點開裂，如下圖2。分析切片，此孔壁斷裂處，出現黑色異物情況（電鍍銅包絡），電鍍線延伸的方向就是異物方向。所以，了解到由于實驗板鉆孔后并沒有嚴密的清潔處理好孔內異物，電鍍制程包圍了異物導致孔銅、板材IST加熱交替循環期間裂縫的現象。

圖2 IST測試孔壁開裂

第二個失效案例為以下：某射頻板材，IST實驗間距1.00 mm，IST測試150個循環過程中測試鏈路鏈接電阻在百分之十以上，如下圖3所示。切片分析以后，發現孔壁電鍍銅裂紋。鉆孔孔壁存在過度的膠咬蝕問題、嚴重的玻纖突出情況，沉銅電鍍以后產生鍍銅突出孔壁，迅速的改變IST測試的高低溫，此部位集中了漲縮變形應力，進而導致孔壁裂紋。此射頻板材屬于碳氫體系樹脂，鉆孔、除膠可加工性理想，但是廠家不同所采取技術各具差異。對此實驗板PCB加工過程進行復查，實施了較大除膠速率，除膠期間樹脂攜帶孔壁周圍空心球填料的因素導致玻纖突出，所以不對于板材配方設計的調整基礎上，進行除膠工藝的科學改善和優化，實施等離子除膠法可以顯著降低孔壁能量沖擊，防范玻纖突出現象。

圖3 IST測試孔壁裂紋

IST屬于權威的測試方法，可以對于高多層復雜PCB制造能力上的板材的耐熱、CTE匹配性等展開全面的評價，應該科學的應用于板材測試方面，對于測試數據展開嚴密的分析。

3 結語

對于板材工藝可靠性評估期間，找到不同應用場景中的各類板材的設計能力保障PCB板廠具有批量可加工性，屬于研究重點。應該盡最大努力依照產品應用場景以及相應的PCB設計特點，事項合理的、嚴謹的、有梯度的落實驗證板材的工藝可靠性工作，充分的掌握住各類板材最佳設計能力。一方面避免過設計、引入未發現的風險，另一方面促使高質量的開發高頻高速板材的產品，將通信系統產品成本增加，將產品質量水平提升，增強整體的競爭實力。