PCB板材的Tg值

我们提交PCB生产数据准备打样,在板厂的在线打样计价页面里,会有一项关于板材的Tg值的选项,不同的Tg值会影响到最终的打样费用,换个角度讲就是你要为板材的Tg值付费,那这Tg值是什么,什么情况下需要为高Tg值板材额外付费呢?

业界长期以来,Tg值是最常见的用来划分FR-4基材的等级指标,通常认为Tg值越高,材料的可靠性越高。

比如下图老wu在南亚上边截取的关于FR-4板材的说明:

Tg135℃,板材用途:主机板、消费类电子产品等

Tg180℃,板材用途:CPU主板,DDR3 内存基板,IC封装用基板等等。

 

基材对于印刷电路板的作用,就像印刷电路板对于电子器件的作用一样重要。按照PCB的基材按性质可分为有机基板无机基板两个大的体系。

有机基板由酚醛树脂浸渍的多层纸层或环氧树脂、聚酰亚胺、氰酸酯、BT 树脂等浸渍的无纺布或玻璃布层组成。这些基板的用途取决于 PCB 应用所需的物理特性,如工作温度、频率或机械强度。

无机基板主要包括陶瓷和金属材料,如铝、软铁、铜。这些基板的用途通常取决于散热需要

我们常用的刚性印制板基板属于有机基板,比如FR-4环氧玻纤布基板,是以环氧树脂作粘合剂,以电子级玻璃纤维布作增强材料的一类基板。

我们看到,FR-4以环氧树脂作为粘合剂,树脂材料有一个重要特性参数:玻璃化转变温度Tg(glass transition temperature),指的是材料从一个相对刚性或“玻璃”状态转变为易变性或软化状态的温度转变点。

玻璃态物质在玻璃态和高弹态之间相互可逆转化的温度。啥意思?就是说FR-4基板的粘合剂环氧树脂若温度低于Tg,这时材料处于刚硬的“玻璃态”。当温度高于Tg时,材料会呈现类似橡胶般柔软可挠的性质。对!它~变【软】了~ o(* ̄︶ ̄*)o

玻璃态

树脂材料处于温度Tg以下的状态为坚硬的固体即玻璃态。在外力作用下有一定的变形但变形可逆,即外力消失后,其形变也随之消失,是大多数树脂的使用状态。

高弹态

当树脂受热温度超过Tg时,无定形状态的分子链开始运动,树脂进入高弹态。处于这一状态的树脂类似橡胶状态的弹性体,但仍具有可逆的形变性质。

注意,温度超过Tg值后,材料逐渐变软,是逐渐,而且只要树脂没有发生分解,当温度冷却到Tg值以下时,它还是可以变回之前性质相同的刚性状态

氮素,有个Td值,叫热分解温度,树脂类材料被加热至某一高温点时,树脂体系开始分解。树脂内的化学键开始断裂并伴随有挥发成分溢出,那PCB基材里的树脂就变少了。Td点指的是这个过程开始发生的温度点。Td通常定义为失去原质量5%时对应的分解温度点。但这5%对于多层PCB来说是非常高的了。

我们知道,影响PCB上传输线特性阻抗的因素有,线宽,走线与参考平面间距,板材介电常数等等。而基板材料的树脂量对介电特性有很大的影响,而且树脂挥发后对控制走线与参考平面的间距也有影响。

对于无铅焊接工艺需要考虑这个Td值,比如传统的锡铅焊接工艺温度范围为210~245℃,而无铅焊接工艺温度范围为240~270℃。

下边两个这个截图是老wu在建滔官网上下载的两份板材的参数表做的对比,左边的是FR-4常规系列板材,右边是FR-4无铅板材

常规FR4 板材 KB-6160  Tg值为135℃,5%质量损失Td值为305℃

FR4无铅板材 KB-6168LE Tg值为 185℃,5%质量损失Td值为359℃

我们看到,常规FR4板材的Td值都在300℃以上,而有铅焊接工艺温度范围在240~270℃,Td值完全满足哇,为啥还要搞个无铅版本呢?

正如老wu上边所述,5%的树脂质量挥发率对于需要控制阻抗的多层PCB来说显得太大了,对于锡铅焊接工艺来说,210~245℃的温度材料基本不会出现明显的热分解,而无铅焊接的240~270℃温度区间,对于普通Tg FR-4 基材来说,已经开始损失1.5~3%的树脂质量。虽然不到IPC标准所要求的5%,但这损失的树脂质量也不可忽视。同时,这个分解水平,还可能会影响基材长期的可靠性或导致焊接过程中出现分层或空洞的缺陷,特别是需要多次焊接的过程或存在返修加热的情况。

所以,如果采用无铅焊接工艺的话,除了考虑Tg值,还要重点考虑Td值。

基板材料的性能在Tg值以上和在Tg值以下时差异很大,不过,Tg值一般被描述为一个非常精确的温度值,比如Tg135,并不是说温度一超过135℃基板就变得软趴趴,而是当温度接近Tg值开始,材料的物料性能会开始改变,它是一个逐步变化的过程。

树脂体系的Tg值对材料的性能影响主要有两个方面:

热膨胀的影响

树脂体系固化时间

板材受热膨胀,脑补一下画面,SMT焊接时BGA焊盘的间距是不是也就跟着变化了?而且,热膨胀导致的机械应力,会对PCB上的走线和焊盘的连接造成细微的裂纹,这些裂纹可能在PCB生产完毕最后的开/短路测试时不会被发现,而在SMT等二次加热后故障就显现出来了,这往往让人很懵逼,而最糟糕的情况是,SMT加热时暗病都没出现,在产品出去之后,在冷热交替的使用环境中,板材的受热膨胀让这些细微的裂纹随机性的发生,造成设备故障。

基板材料热性能参数除了标准Tg、Td值,还有热膨胀系数CTE,有X/Y轴方向的CTE也有Z轴方向的CTE。

Z轴的CTE对PCB的可靠性有很重要的影响。由于镀覆孔贯穿PCB的Z轴,所以基材中的热膨胀和收缩会导致镀覆孔扭曲和塑性形变,也会使PCB表面的铜焊盘变形。

而SMT时,X/Y轴的CTE则变得非常重要。特别是采用芯片级封装(CSP)和芯片直接贴装时,CTE的重要性更为突出,同时,X/Y轴的CTE也会影响覆铜箔层压板或PCB的内层附着力和抗分层能力。特别是采用无铅焊接工艺的PCB来说,每一层中的X/Y轴CTE值就显得尤其重要了。

那么,是不是高Tg值的基材就是好呢?在关于Tg值的许多讨论中,往往认为较高的Tg值总是对基材有利的,但情况也并非总是如此。可以确定的是,对于一种给定的树脂体系,高Tg值基材在受热时的材料高速率膨胀开始时间要相对晚一些,而整体膨胀则与材料的种类有很大关系。低Tg值的基材可能会比高Tg值的基材表现出更小的整体膨胀,这主要与树脂本身的CTE值,或者树脂配方中加入无机填料 降低了基材的CTE有关。

同时还要注意的是,有些低端的FR-4材料,标准Tg值是140℃的基材比标准Tg值是170℃的基材具有更高的热分解温度Td值。如上边老wu所述,Td对于无铅焊接来说是一个很重要的指标,一般建议选择Td数值较大的,而高端的FR-4往往同时具备高的Tg值和高Td值。

此外,高Tg值的基材往往比低Tg值的基材刚性更大且更脆,这往往会影响PCB制造过程的生产效率,特别是钻孔工序。

比如某创就发帖子说明,随着板子越来越密,过孔与过孔之间的间隙越来越小,对于材料要求越来越高,为此某创将提供TG=155的中TG板材为多层板收费服务!

为啥多收费?

  1. TG=155的板材比TG=135的成本高20%左右,嗯 来料贵了
  2. 因为钻孔,中TG必须用新钻钻咀效果更佳(一般钻咀能磨4次),因为太硬
  3. 压合时间:普通TG=135的只需要压合110分钟,而中TG=1 55的必须压合150分钟

为啥要提供中或高Tg板材,板厂那边说,原因之一是因为高密的过孔,普通TG的过孔间距不能小于12MIL,而中TG不能小于 10MIL,因为板材有玻璃布,在钻孔的时候会有一些拉伤,两个过孔之间你拉一点我拉一点就形成了灯芯效应,而中TG因为硬,板材内的成份不一样,又加上用新钻咀能有效的防范灯芯效应,后续对于难度高的多层板,过孔间间隙太密,某创会强制客选择用中TG板材生产

原因之二是基板的Tg提高了, 印制板的耐热性、耐潮湿性、耐化学性、耐稳定性等特征都会提高和改善。TG值越高,板材的耐温度性能越好,尤其在无铅喷锡制程中,高Tg应用比较多。

这是从板厂的可制造性方面考虑,而如果是PCB装配采用无铅焊接工艺的话,还需要综合考虑玻璃化转变温度Tg、分解温度Td、热膨胀系数CTE、吸水率、分层时间等等因素。

文章写得好 赏颗六味地黄丸补补

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