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PCB板用基材-3常用的覆铜板,CAM工程培训,CAM培训,CAM工程师培训,Genesis培训,Genesis2000培训,起点CAM培训|PCB培训|PCB工程师培训|PCB抄板培训

1.0     环氧玻璃布覆铜板(FR4):

1.1     FR4的特性:

FR4的增强材料采用E型玻璃纤维布,常用牌号(按IPC标准)为762821161080三种。常采用的电解粗化铜箔为0.018mm1/2OZ)、0.035mm1OZ)、0.070mm2OZ)三种。

近几年来,为了提高FR-4板的质量水平和生产工艺性,在树脂配方研究方面,主要侧重于降低环氧树脂和树脂漆配方中的离子不纯物(如Cl¯NH+ 4等)。为提高FR4板的玻璃化温度(Tg)加入部分的耐热性的环氧树脂(如酚醛型环氧树脂、多官能团环氧树脂等)。

目前FR4板所执行的产品标准上,我国的大中型企业都执行MIL标准(美国军用标准)。极少数国家是执行图标(图标牌号为CEPGC-32F)。世界各国(除日本外),大都也执行MIL标准,日本生产厂家执行JIS标准(日本工业标准)。

一般FR-4板分为两种:FR-4刚型板,常见板厚范围在0.8-3.2mm。另一种为多层线路板芯部用的薄型板。常见板厚范围在0.06-0.75mm。刚性FR-4板的规格、厚度偏差要求及板的参考净重,见表17所示。多层板用薄型芯板见表18所示。

板的规格(mm

0.6

0.8

1.0

1.2

1.51.6

2.0

2.5

3.0

3.2

厚度偏差(mm

±0.06

±0.06

±0.10

±0.13

±0.18

±0.18

±0.18

±0.23

±0.23

所用铜箔

1835um的单面或双面铜箔

183570um的单面或双面铜箔

参考重量(双面)

数量(张)

200

200

150

100

100

80

50

50

50

净重(kg

370

450

398

306

387

294

294

355

375

表(17  FR-4板的规格、厚度偏差及参考净重

规格(mm

0.25

0.30

0.36

0.41

0.46

0.51

0.53

0.56

0.71

0.76

0.84

0.91

偏差(mm

±0.04

±0.04

±0.05

±0.05

±0.05

±0.06

±0.06

±0.06

±0.06

±0.06

±0.10

±0.10

注:薄型芯板的厚度为实测板厚度。

表(18  一般多层板用薄型芯板厚度及偏差

19所示了FR-4板的MIL标准(MIL-P-13949)技术性能指标。

序号

项目

单位

处理条件

刚性型

薄型(多层板内芯用板)

技术标准

典型数值

技术标准

典型数值

1

抗弯强度

纵向

N/mm2

A

413

557.5

横向

344

449.4

2

剥离

强度

常态(接收试验)

N/mm

A

1.4

1.75

0.9

1.75

热应力后

A

1.4

1.70

1.1

1.70

高温时

E-1/125

0.9

1.55

0.9

1.55

暴露在工艺溶液后

A

1.3

1.70

0.9

1.70

3

热冲击试验(耐浸焊性)

288℃)

S

A

10

30

E-2/150

10

20

4

阻燃性

AUL-94

V-0

V-0

V-0

V-0

5

体积电阻系数

受潮处理后

Ω·cm

C-96/35/90

1012

1013

1012

1013

升温后

E-24/125

109

1012

109

1012

6

表面

电阻

受潮处理后

Ω

C-96/35/90

1010

1012

1016

1012

升温后

E-24/125

109

1011

109

1011

7

介电击穿强度(平行于板层)

KV

D-48/50+

D-0.5/23

40

60

8

抗电弧性(耐电弧)

S

D-48/50+

D-0.5/23

60

155

60

70

9

Q谐振(Q值)1MHz

D-24/23

50

134

10

介电常数1MHz

C-40/23/50

5.4

4.6

5.4

4.6

11

介质损耗角正切1MHz

C-40/23/50

0.03

0.017

0.035

0.020

12

玻璃化温度Tg

128-130

128-130

13

尺寸稳定性

蚀刻后

mm/mm

E-1/105

0.00025

0.0005

0.00015

热处理后

E-1/105

0.0004

0.0005

0.0003

14

最高使用温度

130

130

15

翘曲度340×304mm(双面)

%

A

1

0.5

表(19  FR-4板的MIL标准技术性能指标

    另外,FR-4FR-5板还有一些特性介绍将在以后一些章节中出现,这里不再重复。

1.2     新型FR-4板的技术发展:

1.2.1              高尺寸稳定性的FR-4板:

一般FR-4板从基材加工开始到镀覆及热风整平后,板的尺寸膨胀收缩变化较大,特别是热风整平影响尺寸变化甚大。板有纵、横方向的尺寸变化率也相差较大(约差0.008%)。提高尺寸稳定的松下电工新型FR-4板(R-1705SX),在此方面得到改进。R-1705SXPCB加工的整个过程中,在板有膨胀、收缩的变化上,纵横向偏差趋于零。板的平整度在170℃处理一小时后,与一般FR-4对比,其翘曲值(平均值)低于0.39mm(试样PCB面积:250×250mm18um铜箔)。板在尺寸稳定性、平整度的改进提高方面,虽然与板的制造工艺改进有关,但很重要的一点是与玻璃布及铜箔的制造技术有密切的关系。有关日本研究文献和专利提出:玻璃布的经纱和纬纱的收缩率、弯曲状态、拉伸强度及布的密度都关系到板的尺寸稳定性的好坏。玻璃纤维的低捻纱的使用、采用S捻的纱交互的使用,均有利于降低板的翘曲度。

1.2.2              具有UV遮蔽性的FR-4板:

近年来,在双面PCB生产过程中,随着光敏阻焊剂的推广应用,为了避免两面互相影响,产生重影。要求FR-4基板具有屏蔽紫外线(UV-Blook)的功能。日本一些厂家近年开发具有此功能的FR-4板的牌号有:R-1705UX(松下电工)、E-767W(日立化成)、E170-UV(三菱瓦斯化学)、ELC-4756UV(住友电木)、CS-3355U(利昌)等。松下电工R-1705UX板在波长250umUV-35条件下,透光率只有0.5%1.2mm厚板)。而一般FR-4板透光率在10%左右(1.2mm厚板)。选择具有特殊遮蔽UV功能的环氧树脂,引入FR-4板树脂配方中,以及在玻璃布偶联剂上加以改进,是开发此种性能板的重要试验途径。

1.2.3              超精细图形的PCBFR-4板:

日本松下电工近年还开发出R-1705LX(若带有UV遮蔽性的,牌号为R-1705LU)的新型FR-4板。它专用于超精细的PCB上。其板厚可由0.41.6mm。铜箔厚度可提供0.0120.0180.035mm。板的厚度公差为+20um-0um。最高使用温度为130℃,阻燃性为UL95v-0级。这种板材具有高表面清洁性、平滑性、耐热性,耐CAF性等特性。该种板的表面粗糙度与一般FR-4板对比见表20。一般FR-4板在“吸潮处理—热冲击”的周期试验中,吸湿处理7天会出现“凹坑”问题。发生板面“白斑”的外观质量问题,一般认为,是玻璃布经纬交错点处,与树脂间发生局部性分离。但该种板在同样处理上未发生“白斑”。在耐CAF性方面军,在“PCBT”法(处理条件:110℃,85%RH,施加100V电压)湿态处理下,一般FR-4板在处理60天后出现绝缘电阻的明显下降,而该板处理200天以上绝缘电阻没有多大变化。

产品牌号

纵向

横向

斜向

R-1705LX

1.7

2.0

2.0

一般FR-4

3.8

3.5

4.8

表(20                           单位:um

1.2.4              高耐热性(Tg)的FR-4板:

在一般FR-4板树脂配方中,引入部分三官能团及多官能团的环氧树脂,或是引入部分酚醛型环氧树脂,以提高FR-4板的玻璃化转变温度(Tg)。使一般的FR-4板的Tg125-130℃,提高到160-200℃。日本ELC-4780(住友电木)、TLC-W-556(东芝化学)、EL-190(三菱瓦斯化学)、R-1766T(松下电工)、CS-3655(利昌)等牌号均属此类板。高TgFR-4板,对降低板厚度方向的热膨胀率、降低多层板(使用高TgFR-4板的粘片)的故障率,提高高温下铜箔剥离强度、弯曲强度保持率等方面,显出优异的特性。

1.2.5              低ε的FR-4板:

由于许多通信用电子产品具有信号传送的高速化学和高频下使用的要求,因此高频电路用覆铜箔板近年来发展较快。板材的传送损失与它的介电常数、介质损耗因数成正比关系。同时它的传送损失还与频率有关。频率越高,传送损失越大。而不同树脂的基板材料在传送损失方面,随频率的增高,递增的幅度不同。一般FR-4,在此方面显示的性能较差。而PTFE树脂(聚四氟乙烯树脂)、PPO树脂(聚苯醚树脂)、BT树脂(双马来酰亚胺改性三嗪树脂)等在高频下,传送损失较小。但FR-4板通过改进,也可以降低介电常数和介质损耗因数。使它也可应用于高频电路的PCB上。并此上述树脂制成的板具有成本低、加工性好的优点。

在信号传播速度上,一般FR-4板为12.5cm/n sec,而东芝化学产的改性FR-4板(低ε的)—TIL-557,传播速度为15cm/n sec。该板与住友电木的低ε值改性FR-4板的性能见表21

产品牌号

介电常数

1MHz

介质损耗因数(1MHz

Tg(℃)

TMA法)

阻燃性

UL法)

东芝TLC-557

4.0

0.0030

135

V0

住友ELC-4777

    ELC-4778

3.9

3.8

0.0022

0.008

160

153

V0

V0

一般FR-4

4.5

0.012

125-130

V0

表(21  日本产的低ε值的改性FR-4板的性能指标

1.3     国外高性能的玻璃布基覆铜箔板的技术发展:

高性能PCB的基板材料其性能特点,主要表现在高耐热性(高Tg)、低介电常数(低ε)、高尺寸稳定性、高绝缘可靠性等方面。这是电子产品密度安装技术(密集布线、细导线、微孔化、多层化、表面安装化等)、自动、高速安装工艺技术和安装技术高水平、多样化的发展所提出的要求。作为高性能PCB基板材料的覆铜箔板,主要是采用一些高性能的树脂和增强材料。在树脂方面,主要采用有:耐高温环氧树脂、聚酰亚胺树脂、双马来酰亚胺改性三嗪树脂、聚苯醚树脂、聚二苯醚、氟树脂、聚氰酸酯树脂等高性能树脂,以此提高耐高温性、降低介电常数和介质损耗因数等。在增强材料方面,通过改进玻璃纤维布中的玻璃成份(如Q型、D型、S型、T型等);改进玻璃纤维的偶联剂和加工方法以及采用新型高性能的其它增强纤维材料,来提高板的多项性能。

1.3.1              板的性能提高的意义和作用:

1.3.1.1    耐热性

要求PCB基板材料耐热性提高的重要意义在于:(1)高密度安装技术的发展,特别是SMT发展,在PCB加工和整机安装装配中受热冲击方面反复的次数比传统的通孔插装安装(THMT)增多,只有提高板的耐热性,才能使可靠性有所保证和提高。(2)密集小孔径的基板只有提高耐热性才可减少钻孔的钻污,以提高孔壁精度。(3)衡量基板的耐热性的重要参数之一是板材的玻璃化转变温度(Tg)。一般来说,板的Tg较低,板的热膨胀系数(CTE)就大。特别是会使板的厚度方向(Z方向),由于CTE大,对PCB的金属化孔的可靠性、电子元器件的焊接质量有较大的影响。(4)板的耐热性低,还会使热态抗剥强度降低幅度大。(5)在制作PCB和整机装配过程中,基材要经受高湿高温等恶劣条件,耐热性差的板,在此影响下,它的尺寸稳定性,平整厚度及基板层间的结合力等都会下降。因此,若提高PCB的设计水平和制造技术,满足电子产品性能提高的要求,就要提高板的耐热性。

对于一个PCB基板材料的耐热性来说,耐热性主要表现在耐热软化性和耐热老化性。

耐热软化性,是表征基板材料树脂——高分子物在高温下的物理变化的特征。高分子物在高温下,会产生软化或熔融。同时表现在机械、电气特性的急剧下降。可以用玻璃化转变温度(Tg)这个物理指标来测定、衡量材料的耐热软化性。一般基板材料粘合剂是有机高分子聚合物。它的玻璃化转变温度可以视为链段开始运动的温度,即在Tg以上链段自由运动。测定基板材料的Tg,目前常采用的有三种方法:①TMA法(Thermal Mechanical Analysis)俗称为热膨胀法。它通过温度等速的上升,当材料发生急剧热膨胀的温度点,为Tg点。②DSC法(Differential Scanning Calorimetry)俗称为量热法。通过示差扫描量热计测定标准物和试样温度,作出差热曲线的方法。找出曲线突变时的温度(这是板材在玻璃化转变时发生的比热突变造成的),得到Tg。③DMA法(Dynamic Mechamic Analysis),俗称为形变法。经过对材料的在等速升温下的弯曲振动,测定衰减率的曲线的最大值时的温度,此温度是Tg。在三种测定方法中,TMA法是最常见的方法。习惯上在表示一个板材耐热性的Tg值时,如不加注明,均为TMA法测定的。TMA法测定的Tg值,一般比DMA法测定值低。

耐热老化性,是表征基板材料树脂——高分子物在长时间高温处理的条件的化学变化的特征。由于这种处理,造成分子链结构的玻坏,而造成它的特性的改变和下降。UL标准中,测定热老化性是用“温度老化”法。UL标准中的每种板材规定有老化温度和老化时间。当试样样品在此温度、时间下进行老化实验处理后,其弯曲强度下降不得低于初值的50%

1.3.1.2    低介电常数性:

当今信息处理技术和信息通信技术是高度信息化科学技术领域发展中的两大技术支柱。以高水平的电子计算机为主体的信息处理技术,要求信息处理的高速化。另一方面,在信息通信技术方面,目前世界上在汽车电话、携带电话、电视达到高品质、高画质技术、卫星的传送(BS),通信卫星通信(CS)等信号的传递,都在高频甚高频、超高频范围内。可以看出,信息处理和信息通讯技术方面的发展,都促进了具有优异的高频特性的覆铜箔板的问世和制造技术达到更高水平。

300MHz以上(即波长在1m以上的短波)的频率范围,一般称为高频。高频电路用的覆铜箔板最主要的特性是低介电常数和低介质损耗因数(tanδ)。高频电路需要高信号传播速度Vcm/n sec)。V与光速(C)、介电常数(ε)关系公式是;V=K·C SK为常数)。当ε越大,其V越低。即传送速度降低。氟树脂型玻璃布基覆铜箔板介电常数在2.7左右。信号传播速度约为18.8cm/n sec。均比FR-4板(ε=4.9)快40%。信号的传送损失与信号在导体损失、介质内损失有关。而导体内损失与基板的ε的平方根成正比。介质内损失与ε的平方根、tanδ成正比。同时,基板材料的传送损失还与频率有关,频率越高,传送损失越大。而不同树脂的基板材料在传送损失方面,随频率的增高,递增的幅度有所不同。

2.0     复合基覆铜板(CEM-3):

2.1     CEM-3覆铜箔板的性能特点:

CEM-3板与CEM-1板在使用的面料上基本相同:采用环氧树脂为主体树脂作为粘合剂、以7628型无碱玻璃布作增强材料的上胶布。而在芯料的增强材料上,与CEM-1板有所不同。它采用玻璃纤维无纺布(又可称玻璃毡)。

玻璃无纺布制造方法是:将直径5-10um的细玻璃纤维切断成短纤维(长度在5-15mm),用此在湿式短网抄纸机上制成纤维无纺布。然后在布上涂上粘合剂(一般是水溶性环氧树脂或水溶性丙烯酸树脂)经加热干燥,制成玻璃纤维无纺布。CEM-3板所用的玻璃纤维无纺布定量在30-125g/m2,密度:0.1-0.5 g/m3,抗张强度:1.2-7kgf/mm2

CEM-3板在性能方面有以下几个特点:

2.1.1              加工性:

CEM-3板可作为双面进行印制电路图形加工和金属化孔加工的PCB的基材。并且在加工性上,许多方面优于FR-4板。这也是此种板的突出的特点之一。在钻孔加工中,它的钻头刃尖的寿命,比FR-4板高2-5倍。约是酚醛纸基覆铜箔板的1/2-1/4。在钻头磨损性上,以转速60000rpm,进刀速度0.035mm/rev、三张板(1.6mm)重叠钻为试验条件下,当钻2000600010000个孔数的时侯,钻头刃尖磨损率(面积比)分别约为:37%54%66%(松下电工R1786牌号的CEM-3板的样品)。

在冲孔加工中,也比FR-4板优异。冲孔加工的试验数据见表22CEM-3板的冲击强度约在25-35kg/c m2。而FR-4板是此数值的数倍。

基板

冲孔温度℃

动态最大剪断应力kg/m m2

动态最大拉拔应力kg/m m2

CEM-3

20

10.0-10.5

3.5-4.0

酚醛纸基板

40

100

7.0-7.7

4.2-4.8

1.6-1.8

1.1-1.3

环氧纸基板(FR-3

80

7.3-7.5

1.7-1.9

CEM-1

20

8.0-8.2

2.2-2.4

FR-4G-10

20

11.5-12.0

3.2-4.0

表(22  几种基板的冲孔性对比(试验条件:孔径φ1.0mm

2.1.2              板的厚度精度:

一般的CEM-3板的玻璃无纺布为增强材料,在制造压制时的厚度变化大于FR-4板。在厚度精度偏差方面略大于FR-4板。近几年日本松下电工通过改进CEM-3的树脂配方和加工工艺,推出一种新型的CEM-3板(R1786)。板的厚度精度有很大的提高,比原产品提高精度的3倍。原CEM-3板(1.6mm板厚,35um铜箔,双面)厚度偏差为1.6±0.19mm(日本JIS-C-6489-1989标准规定的CEM-3板第一级板厚的偏差要求)。松下新型的CEM-3板同样厚度产品的厚度偏差为1.56±0.05mm。板厚度精度的提高,可提高表面安装元器件的装配位置精度;可提高连接器端子的焊接部的耐久性和接触可靠性,以及表面V型槽加工性。

2.1.3              板的平整度:

从一般CEM-3板与FR-4板的受热后翘曲、扭曲试验的对比中可以看出(见表23),一般的CEM-3板在扭曲方面偏大。这是板的弱点之一。

处理时间

翘曲类型

一般CEM-3

FR-4

E-60/130

翘曲

1.3

1.2

扭曲

2.2

1.8

E-60-150

翘曲

1.6

1.5

扭曲

2.5

2.0

E-60/180

翘曲

1.8

1.6

扭曲

2.8

2.1

(板的残铜率50%,试样个数5个)

表(23  CEM-3FR-4板的翘曲性能对比

2.1.4              金属化孔的可靠性:

CEM-3板的主要用途是做为双面PCB基材,部分代替FR-4板。它可进行金属化孔的加工。金属化孔的加工,一般有两种:铜金属化孔和银金属化孔。衡量一种基板材料在金属化孔的可靠性如何,主要是考察、检测三个方面的性能:(1)板有的厚度方向的尺寸变化率。(2)金属化孔的热冲击性能。(3)板的金属化孔间的耐离子迁移性(CAF)。

一般的CEM-3板的尺寸变化率(厚度方向),是在恒定升温速度下,测定40℃到280℃内的板厚膨胀情况,得出尺寸变化率和板厚方向的线膨胀率(详见图4

图(4  CEM-3FR-4板的尺寸变化率与温度的关系

从图4可看出CEM-3板的厚度方向膨胀率基本同于FR-4板。油浸渍热冲击试验,也是对板的金属化孔可靠性是否优异的考察手段之一。它的测定方法为:将板加工成有400个直径为1.0mm,间距2.54mm的孔的梳形线条的印制电路,然后进行孔的金属化(金属化孔电镀液为硫酸铜),将此样品进行循环的油浸热冲击处理。处理条件:260℃油中浸10秒→20℃流水冲10秒→20℃溶剂中浸10秒。这样反复进行,直至板面的线路发现有断线为止。记录其循环处理的次数。根据此方法,从表24中看CEM-3板(松下电工新型的CEM-3板)、一般CEM-3板与FR-4板在此方面的性能情况。

有关日本文献中,提供了日本住友电木三种不同类型的基板材料耐金属离子迁移性的特性。三种类型为:酚醛纸基板(PLC-2147)、复合基板(ELC-4970)和环氧玻璃布基板(即一般FR-4板,ELC-4759)。通过板在高湿条件(40℃,相对湿度93%)下,施加直流电压(50V),处理一段时间后,测定绝缘电阻,其结果见图5

镀层厚度

n

新型CEM-3

一般CEM-3

一般FR-4

25um

X1

X2

X3

X()

30

31

29

30

25

28

21

25

37

38

33

36

40um

X1

X2

X3

X()

60

69

66

65

52

71

68

64

71

72

66

69

表(24  几种基板热冲击试验的结果(单位:循环数次)

从图5可以看出,一般纸基板在该条件下处理100小时左右后,绝缘电阻下降幅度很大(约下降5×103Ω)。而CEM-3FR-4板下降幅度较小。这是因为一般纸基板吸水性较大,树脂漆对纸纤维的浸透性欠差。造成在板的两孔间的层压内部的空隙多,给湿态下金属离子的迁移创造了条件和机会。

图(5  PLCCME-3FR-4的绝缘电阻与处理时间的关系

2.1.5              耐漏电痕迹性:

耐漏电痕迹性是PCB用于电源基板等高压条件下的一个安全性的性能指标。UL标准中将CEM-3板的此项性能——相比起痕指数(CTI),要求在3级以下。UL标准中的3级为:175CTI250V)。IEC标准的CTI等级划分与UL标准有区别。IEC标准CTI(单位:V)分为四个等级(Ⅰ-b级)。它们的含义为:Ⅰ级:600CTI;Ⅱ级400CTI600;Ⅲa级:175CTI400;Ⅲb级:100CTI175。一般的FR-4CTI性能在Ⅲa级。由CEM-3板的树脂和无机填料在CTI方面优于FR-4板的树脂,因此一般CEM-3CTI可达到Ⅱ级。松下电工New CEM-3板的CTI可达到Ⅰ级。即CTI600V以上。因此它按IEC 950标准中根据此性能所定的线路“最小表面距离”(即最小线路间距),可比一般FR-4板缩小50%

2.1.6              板的耐湿潮性:

玻璃纤维无纺布由于比玻璃纤维布疏松,有利于树脂漆的浸渍,板的耐湿、耐热性有较大的提高。经过“白斑”试验,可以看出,它耐湿热性强于FR-4板。“白斑”的处理条件是:取450×50mm的蚀去铜箔的试样,在130℃饱和水蒸汽中分别处理357小时,快速冷却后,浸入260℃的焊锡中浸焊30秒,取出检查处观:“白斑”出现的数和程度。表25CEM-3FR-4板白斑试验的结果。

板厚

0.8mm

1.2mm

1.6mm

处理时间(h

3

5

7

3

5

7

3

5

7

FR-4

○○

××

○△

××

××

××

○○

○○

○×

××

△×

××

○○

○○

○○

△×

△×

××

CEM-3

○○

○○

○○

○○

○○

○○

○○

○○

○○

○○

○○

○○

○○

○○

○○

○○

○○

○○

注:评定:○—无变化  △—有白斑  ×—有鼓泡、分层

表(25  CEM-3FR-4板白斑试验结果

2.1.7              CEM-3板基本性能与一般FR-4板对比见表26所示。

试验项目

单位

处理条件

一般CEM-3

一般FR-4

体积电阻

Ω·cm

C-96/20/65

1×1015-1×1016

1×1015-1×1016

C-96/20/6+C-96/40/905

1×1015-1×1016

1×1015-1×1016

表面电阻(粘合面)

Ω

C-96/20/65

5×1013-5×1014

5×1013-5×1014

C-96/20/6+C-96/40/905

1×1013-1×1014

1×1013-1×1014

绝缘电阻

Ω

C-96/20/65

1×1014-1×1015

1×1014-1×1015

C-96/20/6+D2/100

1×1012-1×1013

1×1012-1×1013

介质常数(1MHz

C-96/20/65

4.5-4.8

4.7-5.0

C-96/20/6+D-48/50

4.6-4.9

4.8-5.1

介质损耗因数(1MHz

C-96/20/65

0.015-0.019

0.015-0.019

C-96/20/6+D-48/50

0.017-0.021

0.016-0.020

耐浸焊性(260℃)

A

120

120

铜箔剥离强度

0.018mm铜箔

Kgf/cm

A

1.3-1.6

1.3-1.6

浸焊后

1.3-1.6

1.3-1.6

0.035mm铜箔

A

1.8-2.3

1.8-2.3

浸焊后

1.8-2.3

1.8-2.3

耐热性

A

230 60min OK

230 60min OK

弯曲强度(横方向)

Kgf/mm2

A

27-35

45-55

吸水率

%

E-24/50+D-24/23

0.05-0.10

0.05-0.10

阻燃性(UL法)

AE-168/70

94V-0

94V-0

耐三氯乙烯性

浸渍3分钟

无异常

无异常

表(26  CEM-3板与一般FR-4板的性能对比

3.0     高频微波覆铜板(Teflon PCB R0400 Rogers):

3.1     聚四氟乙烯(PTFE)的特性:

3.1.1              高频化:

Teflon PCB具有高保密性、高传送质量,运用于移动电话、汽车电话及无线电话用PCB;具有高画面质量,如广播电视传输,甚高频(RHF)超高频(UHF)播放节目;高信息传送,如卫星通信、微波通信、光纤通信。

3.1.2              高速化:

计算机技术处理量增大及信息记忆容量的增大,必然迫切需要信号传送高速化,所以电子信息产品对PCB的高频特性提出了高要求。

3.1.3              低的介电常数(ε):

覆铜板由树脂、增强材料(布、纤维、纸)和填充剂所组成,构成为电的绝缘体,也称为电介质。基材实际上就是整块PCB中的一个电容器。当ε大时,储存电能能力大,电路中电信号传播速度就会变低。通过PCB上电流方向,通常是正电、负电相互交替变化的。这样频繁地交换,相当于对基板进行不断“充电—放电—充电的过程。在互换中,只要有很少的电容存留,就会影响传输速度。而当介电常数ε越大,传输速度就会越低。

C

ε

Vm/s=K

K=常数;C=光速;ε=基板介电常数;V=电信号传输速度

3.1.3.1    介质损耗系数(tanδ):

电介质材料在交变电场作用下,由于发热而消耗的能量称为介质损耗。通常以介质损耗正切(又称介质损耗因素)tanδ来表示。

ε和tanδ成正比,小的介质损耗因素,对应于能量损耗也小。

PL=K·f·tanδ

PL=信号传播损失;K=常数;f=频率;tanδ=介质损耗因素

聚四氟乙烯基材ε很低,仅为2.6-2.7,而环氧玻璃布基材板FR4的ε为4.9TeflonFR447%,因此,Teflon PCB的信号传播速度要比FR440%Teflon板的介质损耗因素为0.002,比FR4 0.02低了10倍,能量损耗也小。所以高频通信、高速传送信号就要选用Teflon。除Teflon外,还有其它低ε的基材,如PPO(聚苯醚树脂)、BT树脂(双马来酰亚胺改型三嗪树脂)等。但Teflon性能更为优越,故Teflon板材应用领域在不断扩大。

3.2     Teflon PCB主要应用:

3.2.1              通信器材:转换器,振荡器,接收器,微条状天线;

3.2.2              广播卫星接收器:LANLNB

3.2.3              携带电话的基地天线;

3.2.4              全球定位系统,功率放大器,卫星通信;

3.2.5              家庭电器联网;

3.2.6              测量仪器:LSI检验器、分析器、信号振荡器;

3.2.7              汽车电话,微波传输。

3.3     Teflon板加工工艺:

若按环氧玻布板(FR1)相同的条件进行加工,则无法得到合格的产品,由于Teflon树脂特殊的物理化学特性,使得其加工工艺有别于传统的PCB工艺。

3.3.1              板材放置:因板材较柔软,不能立放,只许平放,否则翘曲。

3.3.2              钻孔:

3.3.2.1    钻头形状:刀头角120-130°,螺纹角25-27°。推荐最好用刀头角120°,螺纹角27°的钻头,可钻出无刀卷屑的孔。

3.3.2.2    钻头使用:宜用新钻头,钻孔3000个以下。

3.3.2.3    叠板数:基板柔软,为避免孔斜,叠板张数要少。板厚0.8mm,以两张为标准;如1.6mm,则仅钻一张。如试验取得突破,再扩大叠板数。

3.3.2.4    钻孔参数:转速要慢一些。

孔径(mm

转速(rpm

落速(m/min

0.5

70000

4.0

0.8

50000

2.5

1.0

40000

2.0

1.4

35000

1.5

2.0

30000

1.0

3.0

25000

0.5

4.0

20000

0.4

3.3.3              孔清洗:

没有能够溶解氟树脂的溶剂,无法用药水进行清洗,可考虑用高压水洗去除钻屑,或高压汽枪冲洗。

3.3.4              阻焊剂印制:

3.3.4.1    选用附着良好的双组份液态感光阻焊油墨,Tamura DSR 2000Taiy PSR4000可使用。

3.3.4.2    蚀刻后,印阻焊前处理,不用辊刷进行物理研磨清洗。若用辊刷,会刷坏Teflon基板。推荐用化学方法进行清洗,如5-10% H2SO4

据了解,有生产厂家用磨板机磨Teflon板的,但辊刷必须调得很轻,磨痕宽度很小。

3.3.5              热风整平(喷锡)

由于氟树脂的内性能,应尽量避免对板材急速加热。在热风整平前,先进行预热处理,条件是150℃,1小时,然后马上作热风整平,铅锡缸的温度约245℃,这样才可避免出现白斑。

3.3.6              冲切加工

氟树脂十分柔软,冲切时要求模具间隙要小,FR4的模具间隙推荐为25-30um,而氟树脂板模具间隙推荐为5-10um较理想。

这种板材可剪切,刀要锋利。铣外形速度要慢些。

3.3.7              化学沉铜PTH

本人收集到以下几种处理方法。国内已有多间PCB厂在作Teflon印制板,工艺技术在成熟中。化学沉铜工艺被视为最难点,现在是八仙过海,各显神通。最终目的是元件孔内铜厚度符合IPC标准要求,无空洞。有以下PTH方法:

3.3.7.1    由于氟树脂是非极性的树脂,其粘着性能比较差,铜层附上孔壁相对比较难,在没有专门用药水处理时,进行连续两次PTH,方法是非电解镀铜预处理→非电解镀铜(PTH)→全板电解镀铜→循环两次。

3.3.7.2    化学处理

PTH线前处理之前,用四氢肤喃和金属纳(保存在煤油中)联合处理,以改善Teflon板孔内的润湿性。这是经典成功的方法,但方法很危险,毒性亦大。经过溶液处理后,再进入PTH线作化学沉铜。我司目前采用此方法。

3.3.7.3    等离子处理(Plasma

这种方法也是成功的,但要花巨资购设备。可以处理目前批量不大的聚四氟乙烯印制板。还需要使用氮气(N2)、氧气(O2)、四氟化碳(CF4)等气体。通过等离子体处理后,清除多层板的孔壁能较好地被后续孔化溶液所润湿。

3.3.7.4    玻璃蚀刻液

板子经除油、清洗、微蚀、清洗、进入玻璃蚀刻液,清洗再经基材润湿液,清洗、预浸、活化……化学沉铜。

玻璃蚀刻液解决孔壁暴露的玻璃纤维部分的粗化和润湿问题。其配方为:

氟化氢胺(NH4HF),10-20g/l;硫酸(H2SO4100ml/l;其余为水。处理时间约2分钟,30-40℃。

3.3.7.5    在平常的PTH线前处理两次,活化缸胶体钯溶液浓度提高一些,使钯离子沿附在孔壁多些,同样可以达到聚四氟乙烯板孔金属化目的。

3.3.7.6    前处理浸入某种有机物溶液,若干分钟,水洗后进入正常的PTH线,聚四氟乙烯板可以作正常的化学沉铜,无空洞。

3.4     Teflon板特性表(表27

项目

单位

标称值

实测值

热冲试验260 20S

不分层不起泡

不分层不起泡

耐热性试验140 60min

不分层不起泡

不分层不起泡

剥离强度

1OZ铜箔)

常态

KN/m

0.98

3.0

热应力后

1.5

抗弯强度

Mpa

80

120

吸水性

%

0.05

0.02

体积电阻率

常态

Ω·cm

1012

1015

吸湿后

1011

1014

表面电阻率

常态

Ω

1012

1014

吸湿后

1011

1014

绝缘电阻率

常态

Ω

1012

1013

蒸煮后

1010

1010

介电常数(12GHz

2.6±0.05

2.6

介质损耗角正切(12GHz

0.0025

0.0022

燃烧等级

A

94V-0

94V-0

注:以上数据是以CGP-500 1.6 1/1mm测试的

表(27

3.5     RO4003PCB的特性:

RO4003高频电路基材具有同PTFE类似的高频特性,又具有同环氧玻璃布基材类似的容易加工的特点。RO4003基材是以玻璃纤维增强和陶瓷作填料,玻璃化转变温度Tg280℃,是一种高耐热材料。RO4003基材加工和装配成本同环氧玻璃基材类似,具有和环氧玻璃基材相同的加工参数和过程。RO4003基材的介质常数εr=3.38RO4003的吸湿率很低,所以,可在不同温度控制下储存。

3.5.1              RO4003 PCB加工工艺:

3.5.1.1    钻孔

盖板:盖板应平和硬,以使铜毛刺减至最小,推荐使用铝和刚硬的复合板作盖板(0.254-0.635mm)。大

多数传统使用的覆或不覆铝的材料都可使用。

最大叠层高度:待钻的叠层厚度应小于钻头排屑槽长度的70%。这个厚度应包括盖板和待穿透和垫板的

厚度。如:

排屑槽长:7.62mm0.30″)

盖板:0.381mm0.015″)

穿透的垫板:0.762mm0.030″)

基材厚度:0.508mm0.020″)、0.584mm0.023″)覆1OZ铜两面

最大叠层高度:0.70×7.62mm = 5.33mm0.210″)——可用排屑槽长

                          0.381mm0.015″)——盖板

                          0.762mm0.030″)——穿透垫板

                            4.19mm0.165″)——(PCB)总厚度

4.19PCB总厚度)

0.58(每块板厚度)

每叠板最大块数 =                    = 7.2 = 7 块板/

钻孔条件:推荐范围

平面速度(Surface speed 300-500SFM (英尺/分)

切屑负载(Chip load 0.05-0.11mm0.002-0.004/转)

退刀速率(Retract Rate 500-600  1PM (英寸/分)

钻头类型(Tool type  标准硬质合金

钻头寿命(Tool life  2000-3000

通常孔的质量由钻头的有效寿命而不是由钻头的磨损程度决定。钻头钻环氧玻纤板是会磨损的,使用在其磨损范围内的钻孔次数钻RO4003基材可获得好的钻孔质量。同环氧玻纤板不同,RO4003钻孔的粗糙度不会随着钻头的磨损而明显增大,典型的范围是8-25um(评估到钻孔8000次)。粗糙度同陶瓷填料的粗细有直接关系,测试表明,这样的粗糙度对孔壁附着力是有利的。

轴转速和进刀速率的计算:

12×[表面速度(英尺/分)]

P×[钻头直径(英寸)]

轴转速(转数/分数,RPM=

进刀速率(英寸/分,IPM= 轴转速(转/分,RPM)×切屑负载(英寸/转数)

举例:

要求的表面速度:400 SFM(英尺/分)

要求的切屑负载:0.08mm0.003″)/

钻头直径:0.75mm0.0295″)

12×400

3.14×0.0295

轴转速 =                = 51800/

进刀速率 = 51800×0.003 = 155 IPM(英寸/分)

参考钻速表:(表28

钻头直径(mm

转速(KRPM,转/分)

进刀速率(英尺/分)

0.500.0197″)

60.0

120

0.650.0256″)

60.0

180

0.7490.0295″)

51.8

155

0.8990.0354″)

43.2

130

1.0010.0394″)

38.8

116

1.1510.0453″)

33.7

101

1.2570.0492″)

31.1

93

1.3490.0531″)

28.8

86

1.5880.0625″)

24.5

74

2.3500.0925″)

16.5

50

3.1750.1250″)

15.0

45

表(28

3.5.1.2    去毛刺

RO4003基材可使用传统的尼龙刷板机除毛刺。

3.5.1.3    镀铜

化学沉铜前不需作特殊处理,板子使用传统的环氧树脂玻纤板工艺流程加工。

3.5.1.4    成像/蚀刻

光成像前,板面应作机械或化学法处理,推荐标准的水溶性或半水溶性干膜作光成像,任何商业化了的铜蚀刻剂都可使用。

3.5.1.5    热风整平(喷锡)和热熔

烤板条件RO4003同环氧玻纤板板类似。对环氧玻纤板不作烤板的工厂,对RO4003基材也不必作烤板。有的工厂把对环氧玻纤板烤板作为正常加工的一个步骤,这种情况下,我们推荐对RO4003基材在121-149℃(250-300℉)烘1-2个小时。

如果板在一个会氧化的环境下烘烤,部分RO4003基材可能会变黑。这是单一的表面氧化物,不会影响到板子的性能。如果认为这是一个主要的缺陷,板子应放在氮气或真空的条件下烘烤。

警告:RO4003不含阻燃剂。我们知道,把板子放在红外线炉或以很慢的传送带速度运行,板子可以到达371℃(700℉)以上,在这样高的温度下,可以引起RO4003板材燃烧起来。所以,仍使用红外热熔机或可达到这样高温的其它设备的工厂,必须采取预防措施以确保无危险事故发生。

3.5.1.6    阻焊

推荐使用光成像阻焊剂和环氧树脂丝印阻焊剂,以获得最好的附着力。对RO4003基材,标准的工艺条件可满足要求。

3.5.1.7    铣外形

RO4003基材可用硬质合金铣刀铣外形。使用条件同通常环氧玻纤基材类似。应该蚀掉铣外形所经过路线上的铜箔,以防产生毛刺。

最大叠层高度:

最大的叠层高度应是实际铣刀排屑槽长度的70%,以使碎灰末排除掉。例如:

排屑槽长:0.300″×0.70 = 0.210″(5.33mm

穿透的垫板           -0.030″(0.762mm

最大叠层高度          0.180″(4.572mm

铣刀类型:螺旋形多槽沟铣刀或金刚石切削铣刀。

铣外形条件:

表面速度应低于500 SFM(英尺/分),这样可使铣刀获得最大的寿命。在铣允许的最大叠层高度时,铣刀通常的寿命应大于50英尺(直线距离)。

切屑负载:0.02540.0381mm/转(0.00100.0015rev

表面速度:300500 SFM(英尺/分)

铣速参考表:(表29

铣刀直径(英尺)

轴转速(KRPM,千转/分)

横向进刀速率IPM(英尺/分)

1/32

40

50

1/16

25

31

3/32

20

25

1/8

15

19

参考资料:

Preliminary Fabrication Guidelines for RO4000 Series High Frequency Circuit Materials

——Rogers Corporation     U.S.A

表(29

4.0     铝基覆铜板:

4.1     铝基覆铜板的定义:

铝基覆铜板一般是由铝金属基板、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铝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。

4.2     铝基覆铜板的主要特征:

4.2.1              优异的散热性能:

由于很多双面板、多层板的密度高、功率大,从而引致热量散发难的问题。常规的FR4CEM-3都是热的不良导体,层间绝缘热量散不出去。电子设备局部发热不排除,会导致电子元器件高温失效。而铝基印制板可解决这一散热难题。

4.2.2              良好的机械加工性能:

铝覆铜板具有高机械强度和韧性,引点大大优于刚性树脂类覆铜板和陶瓷基板。重量较大的元器件可在此类基板上安装,另外,铝基板还具有良好的平整度,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。

4.2.3              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。其主要原因是板材的线膨胀系数有差异,如铜的线膨胀为17×106/℃,而环氧树脂玻璃纤维皮基板的膨胀系数为(110-140)×106/℃。相者相差甚大,易造成基板受热膨胀变化的差异,致使铜线路和金属化孔断裂而遭破坏。而铝基板的线膨胀系数为50×106/℃。它比一般的树脂类基板小得多,而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。

4.2.4              电磁屏蔽性:

为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。

4.3     铝基覆铜板的结构:

4.3.1              金属基材:

日本松下电工、住友公司有R-0710R0771ALC-1401AIC-1370等型号,为铝基覆铜板。铝基厚度为1.0-3.2mm。铝基基材,使用LFLIMLY12铝材,要求抗张强度22-27kgf/mm2,延伸率5%,热传导性238w/m·k,铝板表面膜处理厚度:50um以上(阳板氧化),耐压500-800V,绝缘电阻≥109Ω。

4.3.2              绝缘层:

起绝缘作用,通常50-200um,若太厚,能起绝缘作用,以防与金属基短路效果好,但会影响热量的散发;若太薄,能较好散热,但易引起金属芯与元件引线短路。

半固化片,放在经过阳极氧化绝缘处理过的铝板上,经层压,同表面的铜层牢固结合成一体。

4.3.3              铜箔:

铜箔反面已经过化学氧化处理过,表面镀锌或镀黄铜,目的是增加抗剥强度。铜厚为1/2OZ1OZ2OZ……6OZ

4.4     美国Bergquist(贝格斯)铝基材

贝格斯公司在美国建厂已30年,年销售1亿美元,其中铝基材占30%,铝基材占世界市场约1/3

分二种类型:

A.标准型:

出售是二种尺寸:16″×19″、18″×24″,可使用面积减一英寸。

*铜层:锌处理过的ED铜,铜箔厚度分5种:12346OZ,即3570100140210微米。

*绝缘层:厚度75微米,申请了专利权。

*基层:铝基,供4种厚度,1.01.62.03.2mm

       铜基,供5种厚度,1.01.62.02.363.2mm

B.特种型:

*铜层:同标准型

*绝缘层:150um(微米),申请了专利保护。

*基层:铝:厚度0.5mm,或≥3.2mm

       铜:厚度≥3.2mm

       CLCcopper invar copper,殷钢,镍铁合金(Ni 36%Fe 63.8%,碳0.2%),能在很宽温度范围

内保持固定长度,热扩散系数作特别考虑时用。

       CLC厚度1.0mm

       CMC:钨钼合金,厚度1.0mm

     钢(steel):厚度1.0mm2.3mm

我们制作金属印制板,主要使用美国贝格斯公司的铝基覆铜板,当然,也可以自己层压铝基印制板。

5.0     制造

5.1     铝基印制板的制造,用美国贝格斯公司铝基覆铜板。

5.1.1              板面清洁:

化学和机械清洗均可,要求铜面无氧化物和残余有机物。

化学清洗:10%H2SO4液浸洗,后水洗吹干。

机械清洗:500目尼龙辊刷磨板,铝和铜面不要用同一种毛刷,对铝,可用10%磷酸浸渍,水洗,干燥,可得到对铝抗剂足够附着力的表面。

5.1.2              干膜贴膜:

铜箔为1.2 OZ,干膜厚度为38微米(1.5mil);铜箔厚3OZ,干膜厚度请用76微米(3mil),推荐使用美国Danachem公司干膜,半水溶性干膜。

贴膜温度120℃,速度0.25-0.50/分。

由于铝基板从贴膜机辊上吸热,因此贴膜前铝基覆铜板应预热60℃。

为防止背面(铝)在蚀刻过程中被蚀去,应贴上保护胶带(protective masking tape)。

5.1.3              曝光:

同常规。

板子冷至室温再曝光,拍片对位对准外型中心线。

5.1.4              显影:

同常规。

5.1.5              检查:

铝基材贵,显影后应作认真检查,线路有缺陷应作认真修补,或返工。

5.1.6              蚀刻:

通常用氯化铵/双氧水(Macdermid VE 50蚀刻液)作蚀刻。早此时侯,也有人用过硫酸钠作蚀刻剂。

本公司制作时拟用碱性铜氨蚀刻剂作蚀刻。

5.1.7              去膜/清洗:

特别强调退膜彻底清洗,若化学物残留在板面上,在最后装配时会带来很多麻烦。

5.1.8              电镀:

注意把铝和钢基材隔离开来,否则,会污染整个电镀液。电镀后清洗非常重要。

5.1.9              热风整平/印阻焊:

同常规。

注意:据了解,铝基印制板目前使用最多的是4OZ铜箔。对制造者来说,贴膜、显影、蚀刻都会遇到难题,需要认真摸索。

贝格斯公司推荐,设计者设计线宽/间距的最小范围是:铜箔厚1OZ/35um,线宽/间距最小为0.13mm2OZ/70um0.25mm3OZ/100um0.38mm4OZ/140um0.51mm。蚀刻因素2/1,线宽公差:±20%正常的光绘底片。

*线路至板边缘:最小0.51mm

*阻焊厚度:25-50um,线路拐角上至少7.6um

*热风整平:63/37Sn/pb1.9-3.8um

*化学浸镍:2.5-6.4um

*化学沉金:0.13-0.25um

*有机可焊防护剂:0.2-0.5umOSP

5.2     双面铝基板制作:

6.0     性能:IPC标准和美国材料试验标准(ASTM)贝格斯产品的产品性能:

*抗剥强度:15N/cmIPC-TM-650248c

*拉伸强度:15N/mm2IPC-TM-650248c

*平均热阻:0.5835/W.ASTM D5470

*导热系数:3W/m.k.ASTM D5470

*表面电阻:1013Ω,ASTM D257IEC60093

*体积电阻:1014Ω-mASTM D257IEC60093

*击穿电压:6KV acASTM D149

*电容量:450PF/in270 PF/cm2

*耐热冲击:260℃,4±1sec3-5次,不分层、起泡

*翘曲度:<1%

7.0     典型应用举例:

电压调节器、点火器、自动安全控制系统——汽车、摩托车;

变压器、DC/DCAC/DCDC/AC——电源;

固态继电器、晶体管基座——电子;

散热器、半导体器件、绝缘热传导,工业马达控制器——通信、交换机、微波。

8.0     金属基板的比较:

*铜基:导热最好,用于热传导和电磁屏蔽的地方。但重量大,价贵。

*铁基:防电磁干扰,屏蔽最好,但散热稍差,重量大。

*铝基:导热好,又不太重,质轻,电磁屏蔽也可以。

∴用量最多最广泛是铝基覆铜板。

各种材料的热传导率:(表30

基材

热传导率×104cal/cm.sec

热放射性

酚醛树脂(纸质)

1.6

1/88

环氧树脂(布质)

7.0

1/20

铝基芯板

140

1

参考资料:

*全国印制电路学会第2-5届,发表的学术论文(金属芯印制板)(1985-1997),5篇。

*Thermal clad Design Guide with new HTV materialsspring 2002 Revision 14

*铝基板覆铜板T-clad,贝格斯