高频高速板材于通信产品的需求及可靠性研究

钟国宾

（广州海格通信集团股份有限公司，广东广州，510663）

0 引言

通信系统产品的发展方向就是高频高速，在进行设计系统产品单板期间，重要基础就是PCB，为了达到高密度的发展需求，应该确保通信系统产品的应用年限超过十年，而且具备较高的可靠度。而且通信产品单板的电子装联已经处于无铅时代发展背景中。为了实现无铅SMT焊接工艺要求，在板材焊接的耐热方面，具有更高的标准，所以应该采取科学的举措，积极的评价板材工艺设计性能。

1 通信系统产品对高频高速板材的技术要求

在介电常数的影响因素及现状方面，高频高速化PCB特性、板材介电特性通常是体现于三个方面的关系。第一，存在较小的传输损失、短暂的传输延迟时间、信号传输失真小；第二，介电特性优越，介质损失角正切性tanδ（Df）。此介电特性需要在改变环境（频率、湿度、温度等）的情况下依然保持稳定；第三，特性阻抗高精度控制。PCB用板材的高频高速特性，密切的关联于多种组成材料，其中最主要的就是树脂、增强材料、铜箔等，同时也跟工艺条件等具有一定的关联性。

按照IPC（国际电子工业联接协会）提出的报告内容，遵循板材的Df（介质损耗）大小可以分成不同的等级，一共是七种。此分类表发布以来，电子产品、板材行业发展历经的十多年之久，世界范围内的各板材厂家也在不断的丰富发展着产品的种类、产品的性能。松下Megtron系列高速板材属于高速板材行业技术引领者，其都有各类等级产品的发布。中国台湾厂家的高频高速板材技术发展迅猛，中损、超低损耗产品都有所发布，性能较好。国内包括生益科技、华正、上海南亚等板材厂家，也在发布中损等级板材型号，而且在积极的开发研究更高规格等级的产品。高频高速板材树脂类型及对应的产品如图1。

图1 高频高速板材树脂类型及对应的产品

另外，通信系统产品PCB具备更加复杂化的设计要求，应用场景不尽相同，需要PCB具有不同的设计需求。例如，25G高速产品中，设计需求就是叠层16-24层，阵列孔需要具有超过0.8mm的间距，2OZ内层厚铜，板厚度是2.4-3.0mm，PCB外形控制不超过500mm的尺寸之中；射频产品的设计需求就是，2-6层的叠层，阵列孔是0.8mm的间距，板厚1.6-2.4mm，外形尺寸不超过500mm；56G高速产品中，设计需求是叠层24-34层，阵列孔是超过0.7mm的间距，2OZ内层厚铜，板厚度是3-4mm，外形尺寸大概是600mm。

2 高频高速板材工艺可靠性测试研究

2.1 设计实验板

板材工艺可靠性测试期间，应该建立在相应产品的需求基础上进行设计实验板，而且确保实验板对产品用的关键设计信息包含，诸如明确好叠层、板厚、密集孔阵列规模以及孔间距、内层铜厚、外形大小等等。表面图形设计，主要是在铜箔剥离力以及涨缩等满足性测试及热应力、温循等长期可靠性测试的模块中进行应用。

2.2 测试方案

按照各产品的应用场景，联系起PCB设计的需求，考虑到行业应用较多的IPC标准，制定高频高速板材工艺可靠性测试要求。包括：前处理，实施湿热老化测试、无铅回流焊（耐焊接热）测试，验收的要求就是无分层以及起泡等缺陷；符合性测试，展开铜箔剥离强度测试（验收要求即＞0.7N/mm）、介质耐电压（安规要求）测试（验收要求即无飞弧或击穿）、偏移量测量测试（验收要求即≤127.0μm）；保障基于不同的PCB设计要求前提下不同等级高频高速板材达到通信产品十年应用年限的要求，特别是对于密集孔设计能力，落实热应力测试（验收要求没有爆板、分层、铜皮剥离等缺陷）、耐潮湿与绝缘电阻测试（绝缘电阻值≥100MΩ）、阳极玻纤纱漏电（绝缘电阻要求至少≥100MΩ，500 h）等测试。

2.3 IST机理及失效案例

IST也被称作是直流电感应热循环测试，通常实施菊花链型交错的内测连接 线相连起孔壁。导通电阻设置的区间范围0.15Ω-1.5Ω，以加入进直流通电的模式，在三分钟之内，提升铜面的温度到指定范围，之后两分钟内进行降温到室温状态（强制性），对于两个阻值采取四线端子测量，一个循环的时间是5分钟，如果结果失败，则显示阻值在10%之上。测试期间，设备进行实际温度的监控时，主要是经目标电阻和热阻系数、温度的关系实现的。

第一个失效案例为以下：某56G高速板材，IST实验在测试孔区域间距0.80mm/1.00mm。实验板五次无铅再流焊光板过炉后，IST测试250个循环过程中，测试链路链接电阻超过了百分之十，结果发现增加了菊花链设计孔电阻，测试孔孔壁单点开裂，如下图2。分析切片，此孔壁断裂处，出现黑色异物情况（电镀铜包络），电镀线延伸的方向就是异物方向。所以，了解到由于实验板钻孔后并没有严密的清洁处理好孔内异物，电镀制程包围了异物导致孔铜、板材IST加热交替循环期间裂缝的现象。

图2 IST测试孔壁开裂

第二个失效案例为以下：某射频板材，IST实验间距1.00 mm，IST测试150个循环过程中测试链路链接电阻在百分之十以上，如下图3所示。切片分析以后，发现孔壁电镀铜裂纹。钻孔孔壁存在过度的胶咬蚀问题、严重的玻纤突出情况，沉铜电镀以后产生镀铜突出孔壁，迅速的改变IST测试的高低温，此部位集中了涨缩变形应力，进而导致孔壁裂纹。此射频板材属于碳氢体系树脂，钻孔、除胶可加工性理想，但是厂家不同所采取技术各具差异。对此实验板PCB加工过程进行复查，实施了较大除胶速率，除胶期间树脂携带孔壁周围空心球填料的因素导致玻纤突出，所以不对于板材配方设计的调整基础上，进行除胶工艺的科学改善和优化，实施等离子除胶法可以显著降低孔壁能量冲击，防范玻纤突出现象。

图3 IST测试孔壁裂纹

IST属于权威的测试方法，可以对于高多层复杂PCB制造能力上的板材的耐热、CTE匹配性等展开全面的评价，应该科学的应用于板材测试方面，对于测试数据展开严密的分析。

3 结语

对于板材工艺可靠性评估期间，找到不同应用场景中的各类板材的设计能力保障PCB板厂具有批量可加工性，属于研究重点。应该尽最大努力依照产品应用场景以及相应的PCB设计特点，事项合理的、严谨的、有梯度的落实验证板材的工艺可靠性工作，充分的掌握住各类板材最佳设计能力。一方面避免过设计、引入未发现的风险，另一方面促使高质量的开发高频高速板材的产品，将通信系统产品成本增加，将产品质量水平提升，增强整体的竞争实力。