多层PCB用材料 — 粘结片

粘结片（prepreg）又称半固化片，是由树脂和增强材料构成的一种预浸材料，其中树脂是处于B阶段结构，在温度和压力作用下，具有可流动性并能很快地固化和完成粘结过程。它与增强材料一起构成绝缘层，它是多层印制板制造中不可缺少的层压材料。随着多层板生产量迅速发展，它的需要量不断增加。在PCB业发达的国家（地区），它的年增长率已高于FR-4板。在目前国内外所使用的半固化片材料中，绝大多数为FR-4型粘结片。本文所介绍的多层板用粘结片均以FR-4材料类为主。

1.0     粘结片生产及其主要特性：

FR-4型粘结片，是以无碱玻璃布为增强材料，浸以环氧树脂。树脂的粘度一般在100-250 CP/25℃。树脂粘度的大小对玻璃布的浸透性有关，它也间接反映到粘结片浸渍、干燥加工后的外观状态，以及多层板加工成形性的各异。通过浸渍后，再在立式的干燥炉中烘干。在120-170℃的温度下，将粘结片树脂中的溶剂及低分子挥发物烘除。同时树脂也进行一定程度的反应，树脂由线状结构的A阶段过渡到支链状结构的B阶段，呈“半固化”状态。粘结片产品为片状或卷状。

不同规格厚度的粘结片，所用玻璃布的密度、重量，使用纱也有所不同。表14示出了四种不同厚度规格的粘结片所对应的玻璃布特性指示要求的情况（数据是参照日本目前普通采用的情况）。

表（14）  不同规格的粘结片所对应采用的增强材料情况（中心值）

多层板所用粘结片的主要外观要求有：布应平整、无油污、无污迹、无外来杂质或其它缺陷、无破裂和过多的树脂粉末。但允许有龟裂纹。表面污点尘埃不允许大于0.25mm。在0.093 m²面积内：1处的污点和尘埃要小于0.25mm；50mm的折痕不大于2条；100mm的折痕不大于1条。纤维松驰或跳丝不多于1根。布边缘裂缝，距边缘应小于3mm。

粘结片的主要质量特性指标有四项：

树脂含量（Resin Content，简称RC），俗称为：含胶量。

树脂流动度（Resin Flow，简称RF），俗称为：流动量。

胶凝时间（Gel Time，简称GT），俗称为：胶化时间、凝胶时间等。

挥发物含量（Volatile Content，简称VC），俗称为：挥发份。

测定粘结片质量特性的项目，还有：上胶后粘结片的重量（Treated Weight of Prepreg）、比例流动度、双氰胺结晶的检查（又称不溶双氰胺的目测）等。近年先进的FR-4及其粘结片的生产厂还开始在生产线上（立式浸胶干燥机），进行“粘结片的树脂固化率”项目的连续自动监测和用计算机控制、调整工艺参数，达到此项目的指标范围。

对于粘结片的主要质量特性指标的测定方法，全世界各厂家多采用的标准为：IPC-TM-650、JIS-C-6512、MIL-S-13949H。其中MIL标准中主要这些特性项目的试验方法，全都引用IPC-TM-650标准中的条文。IPC和JIS的主要测定方法，见表15所列。

粘结片的每叠厚度，可以从测定了上胶后的粘结片重量来计算。计算公式为：

Ho（厚度）=1.585TW/dr —1.585W_f（d_f —dr）/d_fdr

对于E型玻璃布增强的FR-4环氧半固化片：

Ho=1.157TW—0.545 W_f

式中：

Ho：粘结片的厚度（每叠的厚度）

TW：上胶后的重量（每叠38.5平方英寸面积的重量）

W_f ：玻璃布单位面积质量（每叠38.5平方英寸面积的重量）

dr：树脂密度（g/cm³），FR-4树脂可设定为1.37 g/cm³

d_f ：纤维织物的密度（g/cm³），E型玻璃布的密度可设为：2.59 g/cm³。

粘结片层压后的特性指标，是指按生产厂推荐的工艺参数压制成标称厚度为0.8mm的层压板，检测电气、热冲击和阻燃性等项目。

表（15）  粘结片主要质量特性指标测定方法

粘结片层压前和层压后有关的特性指标和测定方法，可按GB10243或IPC-TM-650中有关章节执行。

在多层板生产中，在选择粘结片某种规格、型号时，通常原则是：一、在多层板压制时树脂能填满印刷导线间的空隙；二、能在压制中排除叠片间空气和低分子挥发物；三、能为多层板提供必须的树脂/玻璃布比率等。同时还要考虑到层压板厚尺寸、布线密度、层数、压制加工的方式和工艺条件等实际情况。

表16列举了国内外一些CCL生产厂家的两种类型（0.18mm和0.10mm）的FR-4粘结片的主要质量特性指标。

表（16）  各厂家FR-4粘结片性能指标

2.0     粘结片的储存性：

粘结片在不同条件下储存，因受到环境温度、湿度的影响，会产生粘结片的吸潮、胶凝时间下降、流动度增加等变化。这些都不利于多层板的加工性和性能的稳定。

使用吸潮后的粘结片，会造成多层板层压后或热风整平中分层、起泡。并使板的铜箔剥离强度下降。它也是造成板出现白点、白边外观质量的原因之一。当储存条件湿度过高或温度过低时，空气中的水份容易在粘结片上凝聚成吸附水，这种物理和化学的吸附水，在以后再经过低湿度的处理，也不易剥除尽。吸附水先是抑制树脂的固化，后是加速树脂的固化，使粘结片胶凝时间下降。由于粘结片是B阶段树脂在加热中还会继续产生固化反应和挥发低分子物，因此会给粘结片吸水率（性）的测定造成麻烦和误差。国外有的厂家用比重对应研究和掌握它的吸湿情况。在相对湿度为90%的条件下，当处理15分钟时，流动度由原25%升到27%，比重由原 1.33降到1.20。当处理60分钟时比重为0.86。、粘结片处理24小时，比重降到0.75。国外有关资料报导：吸湿后的粘结片，可采用真空干燥法或在通有氮气的干燥室内进行的干燥处理，以除去大部分水分，其中后者是较为经济和有效的方法。

在一般储存条件下，随着粘结片储存时间的延长，树脂流动度呈略有下降的趋势，这主要是受树脂凝时间下降而引起的。但粘结片在高湿环境下储存，由于吸潮缘故，流动度呈略有轻微增加趋势。如，在90%RH下只需放置15分钟，流动度就会有明显地增大，但继续延长存放时间，增加并不明显。粘结片的吸潮性与粘结片中树脂, 结构、玻璃布密度有关。粘结片中树脂对, , 玻璃布间隙的浸透性越差，流动度受湿度的影响也就越大。这是因为树脂与玻璃布界面上所吸附的水份，起着“润滑剂”作用，从而增加了它的流动性。

粘结片的挥发物含量，随着在大气环境中的存放时间的延长而增加。如：刚生产出的粘结片实测的挥发份为0.23%，放30天后增加到0.46%。

在FR-4粘结片树脂体系中，含有潜伏型固化剂和促进剂，因此在常温下，粘结片树脂比较稳定，它的胶凝时间变化很小。但在较长时间高温（30℃以上）下放置，会加速粘结片树脂的进一步交联反应的速度。胶凝时间下降速度会加快。湿度对胶凝时间影响不大。

图1所示了粘结片在20℃，50%RH条件下，储存3个月过程中胶凝时间、流动度、挥发份的指标值变化情况（图1的流动度的两条曲线，A表示高流动度的粘结片，B表示一般流动度的粘结片）。

图（1）  粘结片储存特性

一般要求粘结片的储存条件在20℃以下，相对湿度在50%以下，不超过3个月。或者在5℃以下的干燥条件下，不超过6个月。

3.0     粘结片与多层PCB压制工艺条件关系：

粘结片在一定高温下，其树脂的熔融粘度和流动性，与板的压制工艺有很大关系。达到两者很好地匹配、协调，使多层板的外观性能（不发生气泡、分层）和板的内在性能上（耐湿性、耐金属离子迁移性、绝缘性能等）得以提高。

多层PCB的压制工艺条件的控制参数为压力、湿度和时间。整个压制成形加工的过程又可分为预热、保湿和冷却三个阶段。预热阶段控制是保证多层板性能的最关键的阶段，也是充分运用不同工艺条件形成最灵活的工艺阶段。在此阶段，粘结片树脂状态经过加热，开始从熔融软化，逐步向着液状、粘稠状、凝胶转变。同时，在加热、加压的条件下，树脂进一步向玻璃纤维间隙中渗透、填弃并完成层压排气（在较低压力下），达到层间初期的粘接。

在多层板压制预热阶段，通过加热升温粘结片树脂熔融粘度经过一个“大—小—大”的变化过程。在以熔融粘度为纵座标，加热时间为横座标上，熔融粘度的变化曲线呈“U”形。当升温过快时，熔融粘度变化也快。这种压制方式很易使板层间粘接差或出现气泡问题。当升温速度过慢，熔融粘度变化缓慢，不但整个压制时间延长，而且树脂也易流失。板各部位厚度公差大。因此，升温速度一般应以1.5-2.0℃/分为宜（见图2所示）。另外，对于粘结片生产厂家，应该尽量保证特性指标相同的批次生产的粘结片树脂熔融粘度的一致性。否则多层板生产厂就会在使用相同压制工艺压制板时，由于熔融粘度不同，造成树脂的流失或板的厚度上出现较大的差异。所压制后的板，粘结层的厚度偏差主要是由粘度低者和玻璃布的厚度所决定。预热阶段初期的可流动树脂仅占构成多层板粘结层厚度中的很小部分，而粘结层的最终厚度偏差主要是由粘结片中的这部分可流动树脂量来决定的。

图（2）  粘结片树脂熔融粘度在压制预热阶段不同温度条件的变化

4.0     粘结片性能对多层板性能的影响：

粘结片性能对多层板性能直接影响主要有如下方面：板的绝缘性能（主要表现在耐金属离子迁移性、尺寸稳定性、厚度精度性、耐湿热性、通孔制作的可靠性等。随着多层板技术的发展，对粘结片的性能还在不断地提出更高更新的要求。

粘结片质量性能还对多层板成形加工性也有很大的影响，它归纳成粘结片的五个主要质量特性指标与覆铜箔板及多层板压制成形加工中常出现的九个质量问题的关系图（见图3所示）。这里需要说明的是：有些质量问题的引起，不单单是粘结片质量因素造成的。

图（3）粘结片主要特性指标与多层PCB生产制造工艺控制的关系

5.0     粘结片的新品种、新技术发展：

当今粘结片的发展围绕着两个目标：即适应于多层PCB高密度互连、高精细度的发展和适应于多层PCB的高生产效率、低生产成本的发展。

①     高耐热性（即高Tg）的粘结片材料。

②     低介电常数的粘结片材料。它所制造的多层PCB，大都用于大型计算机、工作站，以及高频电路的通信设备中。

③     高耐金属离子迁移性（高耐CAF）的粘结片材料。以提高高频多层PCB的绝缘可靠性，耐湿性。

④     提高尺寸稳定性的粘结片材料（在压制成形加工中，粘结片树脂是无或少流动型的材料等）。

⑤     低热膨胀（低α）性的粘结片材料。它主要用于生产封装基板用的材料。

⑥     提高压制成形性的粘结片材料。主要适用于真空压制多层PCB，以及近年发展兴起的高压（真空）釜的压机压制多层PCB。

⑦     无气泡型的粘结片材料。

⑧     适应AOI特性和UV阻挡性的粘结片材料。

⑨     不含溴的“绿色型”粘结片材料。

⑩     积层法多层板用的粘结片材料。这类材料包括有增强材料（如适用于激光钻孔的芳酰胺纤维无纺布增强材料）和无增强材料（如最普遍发展的是“附树脂层铜箔”产品）。