第3章 印制电路板技术

3.1 基板材料

3.1.1 基板材料性能特点

1.纸基覆铜箔层压板

纸基覆铜箔层压板CCL（Copper Clad Laminate），简称纸基CCL，是用浸渍纤维纸做增强材料，浸以树脂溶液并经干燥加工后，覆以涂胶的电解铜箔，经高温高压的压制成型加工，所制成的覆铜板，又称为纸基覆铜板。

纸基覆铜板按照美国ASTM/NEMA标准规定的型号，主要品种有：FR-1，FR-2，FR-3（以上为阻燃类板）及XPC，XXXPC（以上为非阻燃类板）等类型产品。亚洲地区主要采用FR-1和XPC两种类型产品；欧美等地区则主要使用FR-2、FR-3及XXXPC类型产品。

由于纸基覆铜板绝大多数的生产、使用都在亚洲地区，又因日本在此类型产品制造技术方面在世界居领先地位，所以，在执行纸基覆铜板的技术标准上，其权威标准（包括性能指标和试验方法）是日本工业标准（JIS标准）。

覆铜板部分型号对照表如表3-1所示。

FR-1和XPC覆铜板大都采用漂白浸渍木浆纸为增强材料，以改性酚醛树脂为树脂黏合剂。在制造中，所用的电解铜箔标称厚度一般为35μm（1盎司/平方英尺）规格，厚度为1.66mm，板面1020mm×1220mm（最常用产品面积），即一张覆单面铜箔的FR-1板，一般为3.00～3.10kg重；一张该面积大小的XPC板，一般为2.85～2.95kg重。板的常用厚度规格为0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.6mm、2.0mm。

纸基覆铜板特点如下所述。

（1）纸基疏松，只能冲孔，不能钻孔；吸水性高、相对密度小。

（2）介电性能及机械性能不如环氧板。

（3）耐热性、力学性能与环氧-玻纤布基覆铜板相比较低。

（4）成本低、价格便宜，一般在民用产品中被广泛使用。

（5）一般只适合制作单面板；在焊接过程中应注意温度调节，并注意PCB的干燥处理，防止温度过高使PCB出现起泡现象。

近年来，为适应电子信息产品技术发展需求，纸基覆铜板除一般品种外，按照性能已发展、派生出具有一定技术先进性的纸基覆铜板系列化产品。它们包括：适于低温（30～70℃）冲孔性的板；高耐漏电起痕性（CTI）的板；适用于银浆贯孔用的板；不透光的屏蔽板；适用于导电碳油跨线合一面铜线路、一面导电碳油线路的双面板（通常所说的伪双面）；无卤化阻燃性的板（绿色环保性的板）等。纸基覆铜板绝大多数是适用于制作单面印制电路板的基板材料。但随着覆铜板和PCB技术的发展，近年来，利用具有银浆贯孔性的纸基覆铜板制作银浆贯孔的双面PCB技术，也得到很大的应用和发展。

2.环氧玻璃纤维布覆铜板

环氧树脂或改性环氧树脂为黏合剂制作的玻璃纤维布覆铜板是当前覆铜板中产量最大、使用最多的一类。在NAME标准（美国电器制造商协会标准）中，环氧玻璃纤维布覆铜板有四个型号：G-10（不阻燃）、FR-4（阻燃）、G-11（保留热强度，不阻燃）、FR-5（保留热强度，阻燃）。在覆铜板产品中，非阻燃产品的用量在逐步减少。在环氧玻璃纤维布覆铜板中，90%以上的产品为FR-4型。当前FR-4型产品已发展为一大类可适用于不同用途的环氧玻璃纤维布覆铜板的总称。在IP-4101标准中已经命名的，属于FR-4型覆铜板的产品有：24号产品，其树脂体系的主体为改性或不改性环氧树脂，阻燃Tg150～200℃；25号产品，树脂体系为环氧/PPO树脂，阻燃Tg150～200℃；26号产品，树脂体系为环氧树脂（用于加成法工艺），阻燃Tg170～220℃等。

在FR-4型产品中，还有一种不是覆铜板，但销量却非常大的产品——半固化片。半固化片用于多层印制板制作时把各内层板黏结起来，也是一种性能要求很高的产品。

不同型号环氧玻璃纤维布覆铜板的生产工艺流程基本相同，它们主要区别是树脂配方不同。

环氧玻璃纤维布覆铜板特点如下所述。

（1）可以冲孔和采用高速钻孔技术，通孔孔壁光滑，金属化效果好。

（2）低吸水性、工作温度较高，本身性能受环境影响小。

（3）电气性能优良，机械性能好，尺寸稳定性、抗冲击性比酚醛纸基覆铜板要高。

（4）适合制作单面板、双面板、多层板。

（5）适合制作中、高档民用电子产品。

环氧玻璃纤维布覆铜板生产工艺流程，一般是分段式生产，它主要由四段构成：第一段为树脂配制；第二段为基材上胶；第三段为叠合（国外称叠书）与层压；第四段为修边、检验和包装。

环氧玻璃纤维布覆铜板是覆铜板所有品种中用途最广、用量最大的一类。它广泛应用于通信、移动通信、计算机、仪器仪表、数字电视、数控音响、卫星、雷达等产品。随着电子产品向轻、薄、短、小和数字化方向发展，印制电路板向精细图形、高密度、高多层方向发展。原来使用纸基覆铜板的电子产品，逐步改用玻璃纤维布覆铜板，使纸基覆铜板发展滞缓，玻璃纤维布覆铜板特别是多层PCB用途玻璃纤维布覆铜板得到更为迅速的发展。

3.复合基覆铜板

复合基材印制板使用的基材的面料和芯料是由不同增强材料构成的。复合基覆铜板在机械性能和制造成本上介于纸基覆铜板、环氧玻璃纤维布覆铜板两者之间。复合基使用的覆铜板基材主要是CEM（Composite Epoxy Material）系列，其中以CEM-1和CEM-3最具代表性。

（1）CEM-1覆铜板。它是在FR-3基础上改进而来的。FR-3是纸基浸渍环氧树脂与铜箔复合制成的。CEM-1则是在纸基浸渍环氧树脂后，再双面复合一层玻璃纤维布，然后再与铜箔复合热压，因此CEM-1结构上比FR-3多了两层玻璃纤维布，所以CEM-1机械强度、耐潮性、平整度、耐热性、电气性能等综合性能，均比纸基CCL优异。因此，CEM-1能用来制作频率特性要求高的PCB，如电视机的调谐器、电源开关、超声波设备、电子计算机电源和键盘，也可以用于电视机、录音机、收音机、电子设备仪表、办公自动化设备等。CEM-1是FR-3理想的取代产品。其结构如图3-1所示。

CEM-1覆铜板具有以下特点。

① 主要性能优于纸基覆铜板。

② 优秀的机械加工性能。

③ 成本比玻璃纤维布覆铜板低。

（2）CEM-3覆铜板。它是由FR-4改良而来的。CEM-3在结构上是采用玻璃毡（又称无纺布）浸渍环氧树脂后，再两面合贴玻璃纤维布，然后与铜箔复合，热压成型。它与FR-4的区别在于，采用玻璃毡取代大部分玻璃纤维布，在机械性能方面增大了“韧性”程度。通常CEM-3是直接制作成双面覆铜板，CEM-3板材在钻孔加工中，加工的方便程度要高于FR-4，其原因就在于玻璃毡在结构上比玻璃纤维疏松，此外在冲孔加工中也比FR-4优异。

CEM-3相比FR-4的不足之处在于，CEM-3的厚度、精度不及FR-4，PCB焊接后，扭曲程度也比FR-4高。

总之，CEM-3是与FR-4近似的产品，能适用于多种电子产品制作PCB之用，特别是在价格上有很大的优势。其结构如图3-2所示。

CEM-3覆铜板具有以下特点。

① 基本性能相当于FR-4覆铜板。

② 优秀的机械加工性能。

③ 使用条件与FR-4覆铜板相同。

④ 成本低于FR-4覆铜板。

有的CEM-3产品，在耐漏电起痕（CTI）、板的尺寸精度、尺寸稳定性等方面，已优于一般的FR-4产品。用CEM-1、CEM-3代替FR-4基板制造双面PCB，目前已在日本、欧美等国家、地区得到广泛应用。

4.金属基覆铜板

金属基覆铜板一般是由金属基板、绝缘介质层和导电层（一般为铜箔）三部分组成，即将表面经过处理的金属基板的一面或两面覆以绝缘介质层和铜箔，经热压复合而成。

（1）金属基覆铜板分类。从金属基板的结构上划分，常见的有三种，即金属基板、包覆型金属基板和金属芯基板。金属基板是以金属板（铝、铜、铁、钼等）为基材，在其基板上覆有绝缘介质层和导电层（铜箔）；包覆型金属基板是在金属板的六面包覆一层釉料，经烧结而成一体的底基材，在此上经丝网漏引、烧结制成导体电路图形；金属芯基板一般由金属殷钢（铁镍合金）芯材，在其表面涂覆一层有机高分子绝缘介质层，或将其复合在半固化片上或PET薄膜之中，覆上导体箔（有的用加成法直接形成导电图形），如图3-3所示。其中，金属基板是最常见、用量最多的一种。

金属基板从其组成上分类，可分为：铝基覆铜板、铁基覆铜板、铜基覆铜板、钼基覆铜板。金属基覆铜板从特性上分类，可分为：通用型金属基覆铜板、阻燃型金属基覆铜板、高耐热型金属基覆铜板、高导热型金属基覆铜板、超高导热型金属基覆铜板、高频、微波型金属基覆铜板、多层金属基覆铜板。

（2）金属基覆铜板的主要特性。金属基覆铜板的特性主要是由占有绝大部分板厚成分的金属板性能决定。表3-2显示了环氧玻璃布基覆铜板（FR-4）、金属基（铝基）覆铜板一般特性的对比。

① 优异的散热性能。金属基覆铜箔板具有优良的散热性能，这是此类板材最突出的特点。用它制成的PCB，可防止在PCB上装载的元器件及基板的工作温度上升，也可将电源功放元件、大功率元器件、大电路电源开关等元器件产生的热量迅速散发。在不同类型的金属基板中，以铜做基材的金属基板散热性最好。但铜板与铝板若用同样体积比，铜的价格高，密度大，并不适于基板材料向轻量化发展，因此未广泛采用。只有制造高散热性金属基板时，才少量采用铜板。铝板比铁板散热性好。表3-3给出了各种不同基板的散热特性（以热阻表示）对比情况。

② 良好的机械加工性能。金属基覆铜板具有高机械强度和韧性，此点大大优于刚性树脂类覆铜板和陶瓷基板。因此可在金属基板上实现大面积的印制板的制造。重量较大的元器件可在此类基板上安装。另外，金属基板还具有良好的平整度，可在基板上进行敲锤、铆接等方面的组装加工。在其制成的PCB上，非布线部分也可以进行折曲、扭曲等方面的机械加工。

③ 优异的尺寸稳定性。对于各种覆铜板来说都存在着热膨胀（尺寸稳定性）问题，特别是板的厚度方向（Z轴）的热膨胀，使金属化孔、线路的质量受到影响。而铁、铝基板的线膨胀系数比一般的树脂类基板小得多，更接近于铜的线膨胀系数，这样有利于保证印制电路的质量和可靠性。

④ 电磁屏蔽性。为了保证电子电路的性能，电子产品中的一些元器件需防止电磁波的辐射、干扰，金属基板可充当屏蔽板起到屏蔽电磁波的作用。

⑤ 电磁特性。铁基覆铜板的基板材料是具有磁性能的铁系元素的合金（如矽钢板、低碳钢、镀锌冷轧钢板等），利用它的这一特性将其应用于磁带录音机（VTR）、软盘驱动器（FDD）、伺服电机等小型精密电机上。此种金属基覆铜板既起着PCB的作用，又起到小型电机定子基板之功能。

（3）金属基覆铜板的应用。铁基覆铜板和硅钢覆铜板具有优异的电气性能、导磁性、耐压性，基板强度高。主要用于无刷直流电机、录音机、收录一体机、主轴电机及智能型驱动器。

铝基覆铜板具有优异的电气性能、散热性、电磁屏蔽性、高耐压及弯曲加工性能，主要用于汽车、摩托车、计算机、家电、通信电子产品、电力电子产品。金属PCB基板中以铝基覆铜板的市场用量最大。

铜基覆铜板具有铝基覆铜板的基本性能，其散热性优于铝基覆铜板，该种基板可承载大电流，用于制造电力电子和汽车电子等大功率电路用的PCB，但铜基板密度大、价值高、易氧化，使其应用受到限制，用量远远低于铝基覆铜板。

5.陶瓷印制板

陶瓷印制板就是用陶瓷材料做绝缘基材的印制板。这种印制板的特点是散热性好，热传导率大；尺寸稳定性好；耐热性好；机械强度高；高频特性好。

陶瓷基材分为结晶玻璃类和玻璃加填料类，主要以三氧化二铝为填料。板上导电图形材料是铜、银、金、钯和铂等，也用稳定性好的钨、钼。陶瓷多层板的制造工艺有一次烧结多层法和厚膜多层法。

陶瓷印制板大多作为厚膜和薄膜电路以及混合电路板，用于汽车发动机控制电路、录像机、VCD等装置中作为电源、发热元件部分的电路板。此类印制板多数含有阻容等元件，故也可作为多片电路封装和电调谐器板。

6.柔性印制板

柔性印制板适应电子市场“更小、更快、更便宜”的组装要求，所表现出来的“柔性”特征，对达到整个电子产品的微型化、对笔记本计算机、移动电话这类便携式产品的更新换代有着重大意义。随着电子市场的多样化、多功能需求，柔性板的开发与生产已逐步走向成熟。

柔性八拼印制板如图3-4所示。它广泛应用于计算机、电话机、继电器、导弹、汽车仪表等电子设备中。

在一般情况下，要求柔性印制板基材的柔曲次数能够达到百万次以上。同时，它能够有效地连接活动部件，减少手工装置的工作量，缩短整机组装时间，提高整机可靠性，减少电子装置的体积和重量。

3.1.2 评估基板质量的相关参数

1.铜箔种类和厚度

按铜箔的不同制法，可分为压延铜箔（Rolled Copper Foil）和电解铜箔（Electrode Posited Copper）两大类。PCB铜箔厚度和线宽与电流的关系如表3-4所示。

（1）压延铜箔。压延铜箔是将铜板经过多次重复辊轧而制成的原箔（也叫毛箔），根据要求进行粗化处理。由于压延铜箔加工工艺的限制，其宽度很难满足刚性覆铜板的要求，所以压延铜箔在刚性覆铜箔板上使用极少。由于压延铜箔耐折性和弹性系数大于电解铜箔，故适用于柔性覆铜箔板上。它的铜纯度（99.9%）高于电解铜箔（99.8%），在毛面上比电解铜箔平滑，这些都有利于电信号的快速传递。

（2）电解铜箔。电解铜箔是将铜先经溶解制成溶液，再在专用的电解设备中将硫酸铜电解液在直流电的作用下，电沉积而制成原箔，然后根据要求对原箔进行表面处理、耐热层处理及防氧化处理等一系列的表面处理。由于电解铜箔属柱状结晶组织结构，强度、韧性等性能要逊于压延铜箔，所以电解铜箔多用于刚性覆铜板的生产，进而制成刚性印制板。

2.玻璃化转变温度Tg

非晶态（无定形）高分子可以按其力学性质区分为玻璃态、高弹态和粘流态三种状态。高弹态的高分子材料随着温度的降低会发生由高弹态向玻璃态的转变，这个转变称为玻璃化转变。它的转变温度称为玻璃化转变温度Tg。如果高弹态材料温度升高，高分子将发生由高弹态向粘流态的转变，其转变温度称为粘流化转变温度Tf。当玻璃态高分子在Tg温度发生转变时，材料从坚硬的固体突然变成柔软的弹性体，完全改变了材料的使用性能。高分子的其他很多物理性质，如体积（比体积）、热力学性质（比热容、焓）和电磁性质（介电常数和介电损耗、核磁共振吸收谱线宽度等）均有明显的变化。作为塑料使用的高分子，当温度升高到玻璃化转变温度以上时，便失去了塑料的性能，变成了橡胶。因此从工艺的角度来看，Tg是非晶态热塑性塑料使用的上限温度，是橡胶使用的下限温度，它是高分子的特征温度之一，可以作为表征高分子的指标。经研究表明，玻璃化转变温度Tg对耐热性、抗弯强度、热膨胀性和通孔故障率等有重要影响。

3.热膨胀系数CTE

热膨胀系数是为表征物体受热时其长度、面积、体积变化的程度而引入的物理量。它是线膨胀系数、面膨胀系数和体膨胀系数的总称。

PCB由于层压板内玻璃纤维的牵制作用，使得在平面内的热膨胀系数较小，而垂直于平面的Z轴（厚度方向）比平面内X轴和Y轴的热膨胀系数大得多，因此设法减少Z轴方向热膨胀系数较为重要。

4.可焊性

印制板的可焊性主要是指表面上焊盘的可焊性和镀覆孔内镀层的可焊性，两者的试验和评定方法稍有区别，但都是对焊料润湿能力的反映。它以规定的焊料、焊剂在规定的焊接温度（232℃±5℃）和焊接时间内对表面和孔内金属表面的润湿状态来评价。对焊盘表面全部润湿为可焊性好，半润湿、不润湿为可焊性差。

5.热应力

热应力是指印制板在波峰焊或浸焊过程中的耐热冲击性能，可考核印制板金属化孔的可靠性和基材的层压质量，是印制板最终层压的可靠性指标。它是将经过去湿和预处理后的印制板放入260～265℃的焊料糟中，浸入的深度为25mm，10s后取出放在绝缘板上冷却后进行显微剖切，检查镀覆孔内、层间、基材以及铜箔与基材之间有无起泡或分层等缺陷。

6.吸湿性

印制板的吸湿性主要是由印制板的基材决定，对单面和双面板如果是按合同上规定的基材制作的印制板就不再检查该项性能，对于多层印制板主要用于选择材料和考核层压工艺。印制板吸湿后会使绝缘电阻下降，如果有要求则在温度环境试验后测试印制板的表面绝缘电阻，对于FR-4基材的印制板，其吸湿率不大于0.8%。

7.导线电阻

在DC和低频电路中印制导线呈现电阻特性，由于铜的电阻率很低，电阻值很小，所以对一般的印制板没有规定具体性能指标；而在高频段则呈现电感特性，导线产生特性阻抗，其值与导线的宽度、厚度及与接地面之间的介质层厚度和基材的介电常数等因素有关，高频或微波电路的特性阻抗值应由设计文件规定，对导线的特性阻抗采用时域反射计测量更为准确。

8.绝缘电阻

印制板的绝缘电阻与印制导线设计的间距、基材种类和加工质量及湿度等因素有关。印制板的绝缘电阻分为：表面、层间和内层绝缘电阻三种。在正常大气条件和湿热条件下测试有所区别，温度增加，绝缘电阻下降，测试时应注意环境的温度。

9.耐电压

印制板的耐电压也与印制导线的设计间距、基材种类和厚度、加工质量以及印制板表面有无阻焊膜和覆形涂覆层等因素有关，相邻导线之间的毛刺会降低印制板的耐压值，阻焊膜和覆形涂覆可以提高耐压值。印制板的耐电压分为表面、内层和层间耐电压，在正常大气条件下测试。

10.孔电阻

镀覆孔的电阻是孔壁金属层的电阻，它能反映孔内铜镀层厚度且其完整性，它由孔内镀层（主要是铜层）的平均厚度、孔径的大小和孔壁的长度决定，是生产过程中控制镀层厚度的依据之一，也是检测印制板上镀覆孔内镀层分布均匀性的方法之一。在国标中设有规定验收的具体数值，只规定了孔镀层厚度平均为25μm，最薄处不低于18μm，这相当于孔径为lmm、孔壁长度为1.6mm时的孔电阻为375μΩ，孔电阻不大于375μΩ都可以。孔径越小、板越厚，其孔电阻就越大，测试时应采用GB 4611中规定的非破坏性四端接线法。

11.互连电阻

互连电阻又称孔线电阻，是导线串联镀覆孔的总电阻，它包括导线、连接盘、金属孔壁的电阻和连接盘与孔壁镀层的连接电阻。由于导线的宽度、厚度、长度及其公差都影响互连电阻的大小，不同的导线其电阻值都不同，难于给出每条导线的确切阻值。连接盘与孔壁的连接电阻是连接可靠性的关键，一旦内层连接盘与孔壁的界面连接有质量问题，互连电阻将明显增大，一般不要求准确的电阻值，如果有要求应由设计文件规定。但是，测定热冲击试验前后的互连电阻变化率是反映多层板中互连可靠性的重要指标，在国标中目前尚未规定。而在GJB和QJ标准以及IPC标准中对2、3级产品做了规定，要求在高、低温度循环和热冲击试验前后变化率不大于10%。实践证明，互连电阻变化大的板容易失效，可靠性大大下降，使用寿命明显缩短。

12.电路短路和电路完善性

电路短路和完善性要求是印制板使用功能的基本要求。一旦出现不应有的短路或断路，不仅会使电路的功能失效，严重的还会损坏元器件或设备。所以，印制板在交付之前，必须对该项要求按规定进行检验。一般采用目检和专用设备进行电路通断测试。目检只能检查布线密度较低并且较为明显的短路、断路缺陷，对导线较细、布线密度较高的板和多层板的内层导线以及潜在的短路、断路缺陷（目检看不见，需施加一定的电压才能暴露的缺陷），就要靠专用设备进行，如自动光学检测（AOI）、X射线检测和通断测试等方法。

作为电子元器件安装和互连使用的印制电路板必须适应当前表面组装技术（SMT）的迅速发展，现已普遍地把贴装表面安装元器件（SMD）的印制板称做表面安装印制板（SMB），它包括了较简单的单面板、较为复杂的双面印制板，也包括难度高、更为复杂的多层板。根据SMD的装载形态，对基板的性能要求有以下几点。

（1）外观要求。基板外观应光滑平整，不可有翘曲或高低不平，基板表面不能出现裂纹、伤痕、锈斑、氧化等不良情况。对涂敷有贴片胶或阻焊剂的层面，经腐蚀清洗后，其表面不可有气泡和裂纹，并无铜箔脱落等现象。

（2）热膨胀系数的关系。基板受热后的胀缩应力会对元件的组装状态产生影响。如果热膨胀系数不同，这个应力会很大，造成元件结合部电极剥离，从而降低产品的可靠性，一般情况下，贴装元件尺寸小于3.2mm×1.6mm时，只遭受部分应力，尺寸大于3.2mm×1.6mm时，就必须注意这个问题。

（3）耐热性的关系。一块基板至组装结束，可能会经过数次焊接过程，通常耐焊接温度要达到260℃，10s。其耐热性应符合：150℃，60min。其基板表面无气泡和损坏等不良情况。

（4）导热系数关系。贴装在基板上的集成电路等器件，工作时的热量主要通过基板给予扩散，在贴装电路密集、发热量大时，基板必须具有较高的导热能力。

（5）铜箔的黏合强度。表面贴装元件的焊区比原来带引线元件（插件）的焊区要小，因此，要求基板与铜箔具有良好的黏合强度，一般在1.5kg/cm2以上。

（6）弯曲强度。基板贴装后，其元件的质量和外力作用，会产生翘曲。这将给元件的结合点增加应力，或者使元件产生微裂，因此要求基板的抗弯曲强度要达到25kg/cm2以上。

（7）电性能要求。由于电路传输速度的高速化，要求基板的介电常数、介电正切要小，同时随着布线密度的提高，基板的绝缘性能要达到规定的要求。

（8）基板对清洗剂的反应。在溶液中浸泡5min，其表面不产生任何不良，并具有良好的冲裁性。