1.0 铜箔:
铜箔是生产覆铜箔板和多层印制电路板的不可缺少的原材料,铜箔工业是在1937年由美国新泽西洲的Auaconda公司炼铜厂最早开始生产的。美国Yates公司开始专门生产PCB用铜箔。经过四十几年的发展,全世界目前的产量高达1.4万吨以上。其中日本是世界上最大的铜箔生产国,其次为中国台湾。
在铜箔方面,世界上的主要权威标准有:美国ANSI/IPC标准、IEC标准、JIS标准。具有世界上最长历史的铜箔标准为:IPC-CF-150标准。其后在这个标准的基础上经过多次修定,成为当前的IPC-MF-150G标准。IEC(国际电工委员会)标准,也制定了JIS标准,日本工业标准的铜箔标准,标准号为:JIS-C-6511(1992)《印制电路板用铜箔试验方法、JIS-C-6512(1992)《印制线路板用电解铜箔》、JIS-C-6513(1996)《印制线路板用压延铜箔》,我国的有关电解铜箔的标准是GB/T-5230(1995)。
按铜箔的不同制法分为压延铜箔和电解铜箔两大类。
1.1 压延铜箔:
压延铜箔是将铜板经过多次重复辊轧制成的,其特点如下:
1.1.1 毛箔生产完成后,需经过粗化处理,即毛面化电解铜箔要平滑,这样有利于电信号的快速传递,此铜箔主要用于细导线,高频高速传递的PCB基材上。
1.1.2 延压铜箔的耐折性和弹性系数大于电解铜箔,使它适用于挠性覆铜板上,其纯度99.9%,高于电解铜箔99.8%。
1.2 电解铜箔:
电解铜箔是通过专用电解机(又称电镀机)在图形式阴极辊铜上连续生产出的。初产品称为毛箔,经过表面处理,包括粗化层处理、耐热层处理(纸基覆铜箔板所用铜后无此处理)、钝化处理。
按IPC标准(IPC-CF-150E)将电解铜箔分成4类(称为四个等级),但就目前国外电解铜箔技术和品种的发展,已超过这四种范围,常见的电解铜箔的品种级特性见表(1)。
代号 |
对照IPC中等级 |
特性 |
STD |
1级型 |
一般通用型产品 |
HD |
2级型 |
常温延伸性,耐折性好 |
THE |
3级型 |
常温延伸大,高温延伸性良好 |
MP |
粗化面为纸粗化面,具有好的高温延伸性 | |
LP(VLP、SLP) |
粗化面上为纸粗化度,适用于精细图形的PCB加工业 |
表(1)
常见电解铜箔的品种、特性以及与IPC的品种等级对照,见表(2):
特性项目 |
单位 |
压延铜箔 |
电解铜箔(一般型) | |
无氧铜箔 |
韧性铜箔 | |||
铜箔厚度 |
um |
18;35 |
18;35 |
12;18;35;70 |
抗张强度(×103) |
Pa |
23-35 |
22-27 |
28-38 |
延伸率 |
% |
6-27 |
6-22 |
10-20 |
硬度(韦氏硬度) |
105 |
105 |
95 | |
MIT耐折性(测定荷重500g) |
次 |
纵155/横106 |
纵124/横101 |
纵93/横97 |
弹性系数×1010 |
Pa |
11.8 |
11.8 |
6.0 |
质量电阻系数 |
Ωg/m2 |
0.1532 |
0.1532 |
0.1594 |
表面粗糙度 |
um |
0.1 |
0.2 |
1.5 |
表(2)
1.2.1 电解铜箔的各种技术性能与对其覆铜板性能的影响。
1.2.1.1 厚度:铜箔厚度在IPC、IEC、JIS铜箔的三种标准中,均用公称厚度和质量厚度(g/cm2)来表示,它们的允许公差,见表3所示。图外覆铜板厂家在使用35um厚的铜箔时,一般都愿用厚度偏下差。
公称厚度mm |
质量厚度 |
允许公差 | ||
g/m2 |
OZ/英尺2 |
g/m2 |
参考厚度公差mm | |
0.018 |
152 |
0.5 |
±15 |
+0.008 |
-0.004 | ||||
0.035 |
305 |
1 |
±30 |
+0.010 |
-0.005 | ||||
0.070 |
610 |
2 |
±61 |
+0.018 |
-0.008 |
表(3) 铜箔的公称厚度、质量厚度及允许公差值
1.2.1.2 外观:铜箔表面要求无异物、无变色、无铜箔、光泽面不允许凹凸不平。
1.2.1.3 抗张强度与延伸率:
一般铜箔(STD)在高温下的延伸率和抗张强度较低,THE型和LP型在热态下延伸性方面比STB型铜箔优越,其中THE型铜箔的结晶组织为柱形结晶,而STD型铜箔为凹凸不平单面片状结晶层叠起形成。
1.2.1.4 剥离强度:
铜箔与基材在高温高压压制后,它们之间的粘合强度(成垂直方向受力)称为铜箔剥离强度(又称抗剥离强度)。此性能的高低与铜箔的品种、粗处理水平和质量、耐热层处理方式和水平有关。测定铜箔此性能除常态条件外,一般测定方法为浸焊锡200℃,热冲击试验288℃/10秒,18%HCL的盐酸浸泡20℃、20min,处理,10% NaOH 80℃、3小时浸泡等。
1.2.1.5 耐折性:铜箔的耐折性主要用于挠性板,压延铜箔比电解铜箔耐折性高,其纵向在不同的热处理温度下,耐折回数比较稳定,但横向在150℃的热处理温度下,低于电解铜箔在150℃以上的热处理温度下又高于电解铜箔。
1.2.1.6 表面粗糙度:铜箔的粗化面的粗化度有两种表示:一种表示是平均粗化度(Ra),它表示在一定面积铜箔粗化面上,粗化膜峰高低的中心线的以外一侧(峰尖侧)的平均值;另一种表示是最大粗化度(Rmax)。一般普通电解箔(STD)Ra为1.4mm左右,Rmax约为9倍,低粗化度的铜箔(LP类)粗化粒子微细,粗化峰(棱线平缓)一般Ra约为STD的1/2。
1.2.1.7 蚀刻性:低粗化度的铜箔由于粗化面比STD铜箔平滑,结晶粒子细腻,因此它的蚀刻性好于普通铜箔,它具有蚀刻时间短,并保证细导线尺寸精度的优点。
1.2.1.8 抗高温氧化性:在JIS标准中,对铜箔的抗高温氧化性的检测方法是:在180℃热空气中处理30分钟后,观察光泽面是否变色,这种抗高温氧化性与铜箔钝化处理的质量水平有关。
2.0 玻纤布:
玻璃纤维抗拉强度高、电绝缘性能好、尺寸稳定、耐高温,是良好的增强绝缘材料,在电工绝缘方面的广泛应用已经有几十年历史。玻璃纤维布(以下简称玻纤布)采用玻璃纤维纱(以下简称玻纤纱)作为经纬纱,在织布机上交织而成。与纤维无定向随机分布的玻璃纤维纸相比,具有纤维密度大,强度利用高,尺寸稳定性好等优点,因而玻纤布是优质覆铜板的主要原材料。
2.1 玻璃成分:
玻璃是一种过冷液体。以SiO2、CaO、Al2O3为主体的多种氧化物高温熔融而成的液态玻璃状物质被牵伸冷却便成为固态的玻璃纤维。玻璃纤维的性能在很大程度上是由玻璃的化学成分决定的,即与玻璃中氧化物的种类和比例有关。
玻璃成分是按玻璃纤维所需的成形性能和使用性能设计确定的。覆铜板用玻纤布一般为无碱玻璃成分,意指碱金属氧化物含量极少的铝硼硅酸盐成分,国际上通常称作E玻璃。E玻璃是专门为电气绝缘用途研制的,因其同时具有优异的力学性能也被大量用作增强材料。我国的无碱玻璃纤维也属E玻璃系列,在常温下它的体积电阻率大于1015Ω·cm,在频率为106Hz时的介电常数εr为6.6,介质损耗角正切tanδ为1.1×103,能够满足覆铜板对电性能的要求。现将国内外E玻璃成分和IPC标准的有关规定列于表4,将E玻璃的主要性能列于表4:
组分 |
IPC标准规定 |
国外E玻璃 |
国内E玻璃 |
组分 |
IPC标准规定 |
国外E玻璃 |
国内E玻璃 |
SiO2 |
52-56 |
55.2 |
54.4 |
B2O3 |
5-10 |
7.3-0.3 |
8.5 |
Al2O3 |
12-16 |
14.8 |
14.9 |
Fe2O3 |
0.05-0.4 |
0.3 |
<0.5 |
CaO |
16-25 |
18.7 |
16.6 |
Ti2O3 |
0-0.8 |
- |
微量 |
MgO |
0-5 |
3.3 |
4.6 |
F2 |
0-1.0 |
0.3 |
- |
Na2O和K2O |
0-2 |
0.5 |
<0.5 |
表(4) 国内外E玻璃成分和IPC标准有关规定
注:此表中国内外E玻璃成分数据摘自2001年化学工业出版社的《玻璃纤维和玻璃棉全书》
关于玻璃成分和玻璃性能的关系在此简略介绍如下。
2.1.1 碱金属氧化物是影响电性能的主要因素,一般的硅酸盐玻璃是离子导电。在常温下,构成玻璃的硅氧或硼氧骨架几乎不导电,但是网络中充填了阳离子,特别是充填了碱金属离子时,这些离子键结合的阳离子具有一定的游动性,使玻璃成为一种弱导电体。因而,碱金属氧化物的含量是影响玻璃电绝缘性能的主要因素,也是玻纤布的关键技术指标。
E玻璃中的Na2O和K2O并非有意引入,只是其它原料和澄清剂带入的成分。碱金属氧化物有高温助熔作用,但同时又会使玻璃结构疏松、减弱,导致电导和介质损耗上升,弹性模量、硬度、化学稳定性、热膨胀系数等一系列性能变坏,耐用性下降。E玻璃和碱金属氧化物含量从1.6%降低到0.5%时,玻璃的体积电阻增加101数量级。为了确保E玻璃的电性能,应在保证玻璃纤维正常生产的前提下,尽量减少碱金属氧化物含量。目前,虽然IPC标准规定为0%-2%,而绝大多数国家标准规定含量均小于1.0%,我国现行标准规定小于0.80%,实际上国内外玻纤生产厂商大都控制在0.50%左右。
2.1.2 SiO2是玻璃最主要的组成氧化物,SiO2含量增加能提高玻璃的力学性能、介电性能和化学稳定性,而钻孔加工性下降。当含量超过57%时,玻璃熔制因难,拉丝温度上升。
2.1.3 CaO是玻璃的主要组成氧化物之一,玻璃中引入CaO是为了使玻璃具有耐久性。玻璃中CaO的含量增加,能提高玻璃的化学稳定性和硬度,而玻璃的介电性能下降。当CaO含量超过规定范围时,玻璃脆性增加,难以控制纺织用细纤维。
2.1.4 Al2O3也是E玻璃的主要组分之一,适量加入Al2O3可以提高玻璃的耐久性、化学稳定性和力学性能。但与CaO比例不当时也会提高玻璃的熔制温度和玻璃液粘度,增加熔制和拉丝的难度。
2.1.5 B2O3作为熔剂引入可以部分替代SiO2,B2O3含量增加可使纤维富含弹性,提高力学性能和介电性能,降低热膨胀系数。但超过规定范围时拉丝因难,并会降低纤维的耐水性。
2.1.6 MgO的引入可部分替代CaO,在规定范围内少量引入有助于降低拉丝温度,提高玻璃纤维强度。
2.1.7 少量的TiO引入也有助于降低拉丝温度。
2.2 玻纤布的规格和技术要求:
覆铜板用玻纤布的品种规格和技术要求由专用的产品标准作出规定。我国目前尚未制订有关的国家标准或行业标准。国外各个发达国家都有相关的标准,其中以美国的IPC标准最具有权威性,是国际通用的电子产品及其原材料标准,覆铜板用玻纤布标准是它的系列标准之一。
2.3 IPC玻纤布标准:
覆铜板用玻纤布在开发初期沿用电工用玻纤布标准,即为美国ASTM-D579标准,以后由于对玻纤布性能、质量的不断改进提高,至20世纪80年代后期,由美国的IPC协会负责起草制订了IPC标准。IPC的全称为The instatute for interconnecting and packanging electronic circuits,它的前身是印制电路板协会。美国及欧洲的一些主要覆铜箔板,玻璃纤维和玻纤厂商都是它的会员,都参与了该标准的讨论和制订,因而IPC标准获得国际同行的普遍认同,成为公认的国际通用标准。
ANSI/IPC-EG-140印制电路板用表面处理E玻纤布标准于1988年3月发布初版,1988年4月18日被美国国家标准协会批准为美国国家标准初版发布以来,因电子技术的新发展促使其材料工业不断跟进,标准又经过修订。现标准为1997年6月修订版。
2.4 覆铜板常用玻纤布规格(见表5)
代号 |
密度 (根/英寸)(根/5cm) 经×纬 |
纱代号 (US制) (国际单位制) 经×纬 |
公称厚度 /英寸/mm 仅供参考 |
单位面积质量 /(盎司/码2) /(g/m2) |
单位面积质量精度 | |
第一级 |
第二级 | |||||
106 |
56×56 110×110 |
D900 1/0×D900 1/0 5 5.5 1×2 5 5.5 1×2 |
0.0013 0.033 |
0.72 24.4 |
0.67-0.77 22.7-26.1 |
0.69-0.75 23.4-25.4 |
1080 |
60×47 118×93 |
D450 1/0×D450 1/0 5 11 1×0 5 11 1×0 |
0.0021 0.053 |
1.38 46.8 |
1.32-1.44 44.8-49.2 |
1.33-1.43 45.1-48.5 |
2116 |
60×58 118×114 |
E225 1/0×E225 1/0 7 22 1×0 7 22 1×0 |
0.0037 0.094 |
3.06 103.8 |
2.92-3.20 99.0-108.5 |
2.97-3.15 100.7-106.8 |
7628 |
44×31 87×61 |
G75 1/0×G75 1/0 9 68 1×0 9 68 1×0 |
0.0068 0.173 |
6.00 203.4 |
5.78-6.22 196.0-210.9 |
5.84-6.16 198.0-208.9 |
表(5) 覆铜板用处理玻纤布常用规格表
2.5 玻纤布的外观质量要求
2.5.1 合格质量水平(AQL):玻纤布的外观质量按标准规定的检验方法和条件(查阅标准文本)检验,合格质量水平(AQL)为2.5%。
2.5.2 外观疵点的判定和划记:外观疵点的判定以标准中外观疵点分类表为准(查标准文本)。疵点划记规则:当一处出现2个或更多疵点时只划记较严重的一项疵点;连续性疵点每码(m)划记为1个疵点;每码(m)最多判罚1个主要疵点。
2.5.3 外观质量的合格判定:每100码(m)平均出现8个主要疵点,或者单项的波纹或厚薄段主要疵点,则可判该卷布为不合格。4个次要疵点相当于1个主要疵点。
2.5.4 隐性疵点:玻纤布的隐性疵点是指织物在表面化学处理前难以发现或处理时发生,但对产品用途而言不可接受的潜在性疵点。这类疵点分下列3种:
① 造成玻璃纤维和树脂突起的玻纤断丝;
② 由浸润剂条纺或热清洗不完全造成的色渍;
③ 鱼眼,可能因树脂系统、织物或处理不良造成。
隐性疵点的合格判定及有关事项由供需双方商定。
2.6 玻纤布的物理要求:
2.6.1 经纬纱:织造用经纬纱应是符合标准规格要求的E玻璃纤维纱。
2.6.2 织物密度:织物公称经纬密度应符合标准规格要求。实测平均值与公称经纬密度之允许公差为±2根/in(±5根/5cm)。
2.6.3 织物组织:平纹。
2.6.4 织物厚度:按标准规定方法测试,仅供参考。
2.6.5 织物单位面积质量:按标准方法测试,符合标准规格表中相应精度等级要求。
2.6.6 织物长度:织物卷长由供需双方商定,实际卷长应在规定值的±1%范围内。
2.6.7 织物宽度:由供需双方商定,实测宽度应在规定值+1/2英寸/-0(±1.27cm/-0)范围内。
2.7 玻纤布的新品种和新技术:
2.7.1 低介电玻璃成分:
信息技术的迅速发展,诸如数字模似、高速数字信息处理、高速宽频通讯等新技术的应用,需要低介电常数和低介质损耗角正切的线路板基材。但传统的低介电玻璃(D玻璃)由于生产性、加工性和耐久性方面的限制,难以在覆铜板上推广应用。为此近年来有些玻纤企业致力于研究适合于覆铜板用途的新低介电玻璃成分。
据日本的日东纺1999年发表的论文介绍该公司开发了低介电常数和低介质损耗角正切的新E玻璃成分(称NE玻璃),并且已投入商业性生产。E玻璃、D玻璃、NE玻璃的玻璃成分对比如表6,从表中可见NE玻璃的SiO2、Mgo、Na2O和K2O含量与E玻璃相同,降低了CaO的含量,提高了B2O3和TiO2含量。使NE玻璃保持了E玻璃的生产性、耐用性,又改善了介电性能。E玻璃、D玻璃和NE玻璃的电性能见表7。由此表可见,在所有的频率范围内NE玻璃的介电常数都是E玻璃的2/3,介质损耗角正切也远低于E玻璃。E玻璃、D玻璃和NE玻璃的纤维性能见表8,由该表可见,NE玻璃的拉伸强度和杨氏模量低于E玻璃,而高于D玻璃,NE玻璃的耐用性与E玻璃相近,而比D玻璃高得多。E玻璃、D玻璃和NE玻璃和玻纤布层压板耐热性、吸水性、和钻孔性对比见表9。由该表可见,NE玻璃层压板和E玻璃层压板具有相同的性能,高于D玻璃。E玻璃、D玻璃和NE玻璃的层压板电性能如表10所示。由该表可见,NE玻璃层压板在1MHz频率下的介电常数和介质损耗角正切比E玻璃低得多,与D玻璃相近。
成分 |
E玻璃 |
D玻璃 |
NE玻璃 |
成分 |
E玻璃 |
D玻璃 |
NE玻璃 |
SiO2 |
52-56 |
72-76 |
52- , TD>, |
MgO |
0-5 |
0 |
0-5 |
CaO |
16-26 |
0 |
0-10 |
Na2O和K2O |
0-1 |
3-5 |
0-1 |
Al2O3 |
12-16 |
0-5 |
10-15 |
TiO2 |
0 |
0 |
0.5-5 |
B2O3 |
5-10 |
20-25 |
15-20 |
表(6) 传统的E玻璃、D玻璃与NE玻璃成分/%(质量)
性能 |
E玻璃 |
D玻璃 |
NE玻璃 |
性能 |
E玻璃 |
D玻璃 |
NE玻璃 |
εr 1 MHz |
6.6 |
4.1 |
4.4 |
电阻/Ω |
>1015 |
>1015 |
>1015 |
εr 10 MHz |
6.6 |
4.2 |
4.7 |
表面电阻/Ω |
>1015 |
>1015 |
>1015 |
tanδ 1 MHz |
0.001 2 |
0.0008 |
0.000 6 |
膨胀系数/×10-6/℃ |
5.5 |
3.1 |
3.4 |
tanδ10 MHz |
0.006 6 |
0.0056 |
0.003 5 |
密度/(g/cm3) |
2.54 |
2.11 |
2.30 |
表(7) E玻璃、D玻璃和NE玻璃的电性能
性能 |
E玻璃 |
D玻璃 |
NE玻璃 |
性能 |
E玻璃 |
D玻璃 |
NE玻璃 |
拉伸强度/Mpa |
3 200 |
2 500 |
2 800 |
伸长/% |
4.8 |
4.6 |
4.8 |
杨氏模量/MPa |
7 300 |
51 000 |
57 000 |
耐用性/%(质量) |
0.1 |
1.5 |
0.2 |
表(8) E玻璃、D玻璃和NE玻璃的纤维性能
性能 |
E玻璃 |
D玻璃 |
NE玻璃 |
性能 |
E玻璃 |
D玻璃 |
NE玻璃 |
耐热性 高压锅水煮 121℃,120min 135min 260℃,150min 165min |
优 优 良 差 |
优 良 差 差 |
优 优 良 差 |
耐水性(吸水性)121℃,150min/%(质量) 钻孔性/ mm |
1.41 0.010 |
1.58 0.050 |
1.45 0.0012 |
表(9) 玻纤布层压板性能对比
性能 |
E玻璃 |
D玻璃 |
NE玻璃 |
εr (1 MHz) tanδ (1 MHz) |
4.6 0.008 |
3.6 0.007 |
3.6 0.006 |
表(10) 玻纤布层压板的介电性能
注:试验层压板采用聚酰亚胺树脂。
综上所述NE玻璃是一种低介电常数和低介质损耗角正切的新玻璃成分。而且可以在玻纤布工厂中利用原有生产系统稍加改进便可生产,用于制造覆铜板和线路板的加工方法也与传统方法相同,有利于增进和扩展其在高速、高频和高密度信息处理和传输用覆铜板方面。
除日东纺外,日本板玻璃公司以及其他公司也研究开发了一些新的低介电玻璃成分。我国的新低介电玻璃成分也正研究开发中。
2.7.2 高介电玻璃成分:
现代信息社会中,多种移动通讯器和系统逐步普及,利用通讯卫星的电视播送系统和卫星定位系统也走向实用化。对于便携式器件而言线路板的小型化是必要前提。这种线路板需要采用介电常数高的覆铜板作基板。制作这种覆铜板除了采用高εr值树脂外,还需用高εr值的玻纤布,高介电常数的玻璃纤维有利于高频设备的线路板实现小型化。
以往通常采用光学高铅玻璃拉制高εr值玻璃纤维。高铅玻璃拉丝时易断头、生产效率低,纤维的力学性能、耐热性、耐化学性、耐水性差,对织造、表面处理和层压板性能均有不良影响。
日东纺研究开发出两种新的高铅玻璃,其玻璃成分与普通光学高铅玻璃(SF03)的成分和性能见表11。由该表可见,新配方玻璃不仅介电常数远高于E玻璃,而且因加入了Al2O3而具有比普通光学高铅玻璃更高的抗拉强度、耐水性和耐热性。
玻璃成分与性能 |
新配方1 |
新配方2 |
SF03 |
玻璃成分与性能 |
新配方1 |
新配方2 |
SF03 | |
成分/% (质量) |
PbO |
68 |
74 |
72 |
介电常数εr |
12 |
15 |
14 |
SiO2 |
26 |
20 |
26 |
纤维直径/um |
9 |
9 |
9 | |
Al2O3 |
6 |
6 |
0 |
拉伸强度/(kgf/mm2)① |
220 |
180 |
140 | |
K2O |
0 |
0 |
1.7 |
耐水性/%(质量) |
0.5 |
0.6 |
1.0 | |
As2O3 |
0 |
0 |
0.3 |
耐热性/℃ |
513 |
485 |
420 |
①1 kgf/mm2=9.8MPa。
表(11) 高介电常数玻璃的成分与性能
此外,日本松下电工和京都大学工学部,日本电气玻璃公司合作开发了称作“H”玻璃的高介电常数纤维,它以非铅类的钛硅酸盐玻璃作原料,介电常数为11.6。这种玻璃不仅介电常数大幅提高,而且具有无铅、对人体无害,废弃时不会造成公害,介质损耗角正切低(tanδ=0.003)和耐化学性能好等优点。
2.7.3 紫外屏蔽玻纤布:
在双面和多层线路板的光刻工艺中,如果采用双面同时进行紫外线曝光的方法,生产效率显然高于单面曝光、重复两次,但线路板的薄型化发展使两面同时曝光紫外线会一直照射到反面的阻焊膜上,造成不该曝光部分曝光。其原因是构成基板的玻纤布和环氧树脂透紫外光。要解决玻纤布透紫外光的问题有以下3种方法。
2.7.3.1 紫外屏蔽玻璃成分:
日本电气玻璃公司和日东纺都研究开发了不透紫外光的玻璃成分。其代表性的手段是在E玻璃成分中加入Fe2O3和TiO2,Fe2O3的添加量在1.9%-6.0%,TiO2的添加量在0.2%-6.0%。添加Fe2O3和TiO2的玻璃对于360nm波长的紫外光几乎完全屏蔽,420nm波长的紫外光透过率也相当低,用这种玻纤布制成的厚度在1mm以下的线路板具有足够的紫外光屏蔽性。
2.7.3.2 表面处理添加剂:
在玻纤布上被覆紫外光屏蔽性物质是国外研究得较多,而且已经实际应用的一类方法。所用的表面处理剂有氧化钛微粉、荧光增白剂、紫外线聚合引发剂等,为与通常用的表面处理剂相区别,称之为表面处理用添加剂。
(1) 氧化钛微粉:氧化钛微粉的平均粒径为0.01-0.05um,玻纤布的附着量为0.01%-3.00%。被覆方法可以单独配制成胶态溶液浸渍玻纤布、烘干,然后再作硅烷处理。也可以直接将氧化钛分散在偶联剂水溶液中,一步处理玻纤布。据称,用数层这种玻纤布制造的层压板能够屏蔽99%以上的紫外线。
(2) 荧光增白剂:荧光增白剂是纤维材料常用的增白处理剂,其原理是吸收340-400nm紫外能量,变换为400-500nm的紫蓝色光发出,从而起增白效果。常用的荧光增白剂,例如双(三嗪基氨基)芪二磺酸类、香豆素类、吡唑啉类、萘二甲酰亚胺类、双苯类、唑类、双苯乙烯基联苯类等,水溶液、水乳剂都可使用。
施用方法一般将经过热清洗的玻纤布浸渍荧光增白剂溶液、烘干,然后再作硅烷处理。荧光增白剂的附着量一般在0.5%以下,超过1%并无特别效果。用数层这种玻纤布制成的覆铜板能够屏蔽99%以上的紫外光。这种玻纤布几乎不着色,基板呈半透明状,可以任意染色。
(3) 紫外线聚合引发剂:采用紫外线聚合引发剂是日东纺的新技术。所用引发剂是双二低烷基氨基苯酰苯,它在365nm附近对紫外光具有吸收性。低烷基的碳原子数量1-4个,以2个为最佳,该引发剂单独使用就能提供足够的紫外屏蔽性,如与荧光增白剂并用则效果更佳,并可降低成本。
使用时要用有机溶剂将紫外线聚合引发剂配制成溶液。可在硅烷处理前、后施加,或直接加入偶联剂溶剂中,但以硅烷处理后施加为好。也可以加入制造预浸料用的树脂中。附着量通常在0.5%以下。
含双二乙基氨基苯酰苯的玻纤布层压板[表12(例1)]和含荧光增白剂EBF的玻纤布层压板[表12(例2)]的365nm紫外光透过率如表12所示。从该表可见例1的紫外屏蔽性明显优于例2。上述试验层压板均用3层玻纤布制成。另经试验例1的玻纤布1层所制层压板就能达到屏蔽99%以上紫外线光的要求,因此,采用这种玻纤布还有利于线路板的精密化、超薄化,特别适用于薄型超大规模集成电路用的印制电路板。
浓度/%(质量) |
紫外光透过率/% |
浓度/%(质量) |
紫外光透过率/% | ||
例1 |
例2 |
例1 |
例2 | ||
0.00 |
- |
28.10 |
0.50 |
0.13 |
0.39 |
0.05 |
3.15 |
4.20 |
1.00 |
0.04 |
0.21 |
0.10 |
1.58 |
2.05 |
表(12) 两种处理的玻纤布层压板紫外光透过率
2.7.3.3 含紫外线屏蔽物质的浸润剂:
用于玻璃纤维拉丝浸润剂的紫外屏蔽物质可以是上述的氧化钛微粉、荧光增白剂、紫外线聚合引发剂等,这些物质可单独使用,也可两种以上并用。浸润剂应采用无需脱浆的以树脂作成膜剂的浸润剂。这类浸润剂的纺织工艺性能与常规的淀粉-油类浸润剂相近,还含有硅烷偶联剂,与基体树脂亲和性好,不需脱浆,因而所具有的特定性能得以保持。采用含荧光增白剂的浸润剂[表13(例1)]和含氧化钛微粉的浸润剂[表13(例2)]两种7628玻纤布以及对照用普通浸润剂[表13(例3)]的玻纤布3层所制层压板的紫外光透过率对比如表13所示。
处理类例 |
紫外光透过率/% |
反面曝光 |
处理类例 |
紫外光透过率/% |
反面曝光 |
例1 |
0.10 |
无 |
例3 |
28.10 |
有 |
例2 |
0.15 |
无 |
表(13) 三种层压板的紫外光透过率
此方法的优点是工艺简单,紫外光屏蔽物质分布均匀,附着牢固。这种纤维还可用于制毡和造纸。缺点是浸润剂中的其它成分未经清除,可能影响到覆铜板的其他性能。
2.7.4 超薄玻纤布:
近代美日等工业大国的多层印制电路板产量超过了单面板和双面板,而且表现出持续增长趋势,对薄型玻纤布的需求也不断增加。
超薄玻纤布意指厚度在50um左右,以及更薄的玻纤布。除了布的厚度更薄之外还要求厚度和单位面积质量波动范围小,布的尺寸稳定性高。IPC标准常用规格中有6060、1080、106、104、101五个品种。超薄布经纬纱除6060外都是单丝直径5um的单纱。最薄的101布厚度仅24um,单位面积质量为16.3g/m2。
原先线路板大多用厚度100um以上的玻纤布制造,厚度50um左右的超薄布主要用于调节板的厚度,很少单独使用。近年来已经单独用超薄布制造集成电路芯片和移动电话用的超薄型印制电路基板,而且因使用需要又开发了几种更薄的玻纤布。用超薄布进行多层层压加工时,其尺寸变化率要比用厚度100um以上的布制造多层板大好几倍,使得内外层电路位置的吻合、元件的自动组装发生困难。为解决这一难题国外玻纤布制造进行了多方面研究,改进布的结构、采取特殊的物理或化学处理方法,在改善布的表面平滑性,提高层压板的尺寸稳定性和耐热性方面取得明显效果。
3.0 环氧树脂:
-CH-CH2 \ / O
环氧树脂,是指在分子结构中含有2个或2个以上环氧基( )的一类高分子化合物。由于环氧基的化学活性,可借助固化剂使其开环、交联,生成体型网状结构,因此环氧树脂归属于热固性树脂。
国外环氧树脂的生产始于20世纪40年代,主要生产国家有美国、瑞士、日本等。我国环氧树脂发展于20世纪50年代,20世纪60年代中期开始研究开发一些新型的环氧树脂,如脂环族环氧树脂、酚醛环氧树脂等。
3.1 双酚A型环氧树脂:
环氧树脂品种很多,其中生产最早,产量最大,应用最广的是双酚A型环氧树脂。双酚A型环氧树脂是由双酚A(BPA)和环氧氯丙烷(ECH)作原料,在NaOH存在下缩聚而成的。双酚A型环氧树脂为白色晶体,分子量228,熔点152-157℃,在碱、醇、酮中有良好的熔解性。
H2C-CH-CH2Cl \ / O
环氧氯丙烷:
无色液体,分子量92.5,沸点116℃,具有醚的气味,可溶于醇、醚及苯中,微溶于水。
3.2 溴化环氧树脂:
目前,在覆铜板生产中,为了确保产品阻燃性的要求,大量采用溴化环氧树脂,除了具有双酚A型环氧树脂的各种优点之外,由于结构中含有溴,因此具有优良的阻燃性能。
根据树脂中溴含量太小,溴化环氧树脂可分为两类:低溴型树脂和高溴型树脂(溴含量为48%-50%)。
3.2.1 采用溴含量19%-20%的溴化环氧树脂,覆铜板具有良好的阻燃效果,阻燃级别可达Vo级水平,故FR4覆铜板大量采用这种低溴型环氧树脂。
3.2.2 高溴型环氧树脂,溴含量一般为48-50%,它是以四溴双酚A和环氧氯丙烷作原料,在催化作用下,经缩聚反应而成的。树脂的含量增大,有利于提高阻燃性,但对树脂与铜箔及玻纤布的粘合力会有影响,故在产品的阻燃性和粘合力之间,需要取得平衡。
3.2.3 酚醛环氧树脂:
酚醛环氧树脂是以线型酚醛树脂(Novolac)与环氧氯丙烷作原料,在NaOH存在下反应而成的。常用的酚醛环氧树脂有三种:
(1) 苯酚型酚醛环氧树脂
(2) 邻甲酚型酚醛环氧树脂
(3) 双酚A型酚醛环氧树脂。
酚醛环氧树脂与双酚A型环氧树脂相比,由于分子结构中含有2个以上的环氧基,固化后交联密度高,产品的耐热性,耐溶剂性、耐化学药品性及尺寸稳定性,都会相对提高,但是,产品脆性会增大,与铜箔的粘合性有所降低。
邻甲酚型酚醛树脂与苯酚型酚醛环氧树脂基本相同,只是在苯环邻位上有甲基存在,在耐水性和熔融粘度等方面优于前者。
双酚A型酚醛环氧树脂与传统的酚醛树脂相比,不仅固化物具有更高的耐热性和二氨基二苯矾(DDS)固化后,Tg达224℃,而且具有良好的综合性能。
在覆铜板的生产过程中,酚醛环氧树脂一般不单独使用,而是添加在双酚A型环氧树脂中配合使用。用它来改进,提高产品的耐热性和尺寸稳定性能。酚醛树脂的添加量一般为双酚A型环氧树脂的20-30%。
3.2.4 四官能环氧树脂:
四官能环氧树脂是指分子结构中含有4个环氧基的环氧树脂。由于含有4个环氧基与双酚A型环氧树脂相比,固化交联密度高,产品的耐热性、耐湿性和尺寸稳定性都会提高。四官能环氧树脂具有阻挡紫外光(UV)的功能和荧光特征。目前这种树脂被广泛地用于生产UV阻挡型覆铜板,四官能环氧树脂的用量,一般为双酚A型环氧树脂的3-10%,四官能环氧树脂具有良好的耐热性和尺寸稳定性,对薄芯板来说尤其重要。在加热作业中,XY方向变化小,多层板层间孔位准确性更高,而且Z方向膨胀系数小,层间粘合强度高,高温耐热性相应也高。
3.2.5 溴化酚氧树脂:
溴化酚氧树脂是一种含有溴化双酚结构的酚氧树脂由于具有较高的玻璃化温度(Tg)和阻燃性,扩大的酚氧树脂的应用范围。
3.2.6 固化剂:
环氧树脂本身是一种热塑型高分子预聚物,单独存在几乎没有使用价值,只有加入固化剂,使之交联形成网状立体结构,才能体现出各项优良性能。因此,环氧树脂的应用及固化产物的性能对固化剂的依赖性很大。
环氧树脂的固化剂,种类繁多。环氧覆铜板常用的固化剂主要有胺类固化剂,高分子类固化剂等。其中有双氰胺、二氨基二苯矾(DDS) 及线型酚醛树脂(Novolac)。
3.2.6.1 双氰胺:
外观为白色晶体,分子量为84.02,熔点为207-209℃,相对密度1.40(25℃),目前,在覆铜板生产中,普通采用双氰胺作固化剂。以双氰胺作固化剂的环氧覆铜板,具有良好的综合性能,而且胶液和粘结片有较长的贮存期。但是,以双氰胺作用固化剂的环氧树脂体系,固化温度较高,工艺性较差,而且具有吸湿性,不溶于一般溶剂,只溶于如二甲基甲酰胺之类的强极性溶剂。
3.2.6.2 二氨基二苯矾(DDS)
外观为淡黄色粉末,熔点为178℃,分子量284.31。其主要特点为使用寿命长,而且在125-200℃时几小时内即可固化,固化物的热变形温度可达175℃。
3.2.6.3 线型双酚A型酚醛树脂:
线型双酚A型酚醛树脂是以双酚A和甲醛作原料在酸性催化剂存在下反应而成的。研究表明,采用线型双酚A酚醛树脂作固化剂,可以很好地解决双氰胺和酚醛树脂所存在的不足,板材不仅具有高的耐热性和尺寸稳定性,在高温下变色性,介电性能和耐离子迁移方面,也有明显改善。
3.2.7 固化促进剂:
在配制环氧树脂的胶液时,希望胶液相对稳定,有较长的贮存期,以便于胶液和粘结片的存放和管理。在覆铜板压制过程中,又希望树脂体系能尽快地进行交联固化以缩短时间,提高生产效率,故在配制环氧树脂胶液时,通常采用固化促进剂,以加速环氧树脂与固化剂之间的交联反应。
在覆铜板生产中,通常采用咪唑类促进剂,如2-甲基咪唑(2MZ)、2-乙基、4-甲基咪唑(2E4MZ)、2-苯基咪唑(2PZ)、2-苯基、4-甲基咪唑(2P4MZ)等,在选用促进剂时,应从固化速度、胶液贮存期以及对覆铜板性能的影响方面,综合考虑,择优录用。