LOWZ—CTEFR—4覆銅板的研制

葉致遠

摘要： 研究了采用提高高分子材料交聯(lián)密度和填充無機填料降低復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)的方法，開發(fā)出一種既經(jīng)濟又具有低Z軸膨脹的FR-4覆銅板。在玻璃化轉(zhuǎn)化溫度前Z軸熱膨脹系數(shù)（Z-CTE）較常規(guī)FR-4產(chǎn)品下降35.7%，更接近于銅的熱膨脹系數(shù)，降低了產(chǎn)品在PCB加工過程中熱沖擊帶來的孔銅斷裂風險，產(chǎn)品可靠性明顯提高。

Abstract： The research improves the crosslinking density of high-molecular polymer and fill inorganic insulating filler to decrease CTE of composite， develope low Z-CTE FR-4 CCL. The Z-CTE shrink 35.7% before Tg compare with normal FR-4， closer to the CTE of copper， which reduces the risk of hole copper fracture during PCB heat shock process， obviously improves the product reliability.

關(guān)鍵詞： FR-4；覆銅板；CTE

Key words： FR-4；CCL；CTE

中圖分類號：TS803.6 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）06-0133-02

0 引言

隨著電子信息技術(shù)的高速發(fā)展，電子電器產(chǎn)品越來越集成化、功能化，這就意味著PCB基板上元器件的裝載密度越來越高；其次，隨著無鉛焊接技術(shù)的普及，PCB板的焊接溫度提升了20～30℃，這也要求覆銅板在較高溫度下具有低的熱膨脹系數(shù)，才能保證金屬化通孔的可靠性。為此，作為PCB基板原材料的覆銅板，則必須保證具有低的熱膨脹系數(shù)（Low Z-CTE），即板材的耐熱性要相對提高，熱膨脹系數(shù)CTE要相對降低。

FR-4覆銅板是應(yīng)用最為廣泛的一類覆銅板，其構(gòu)成成分主要有三大材料：銅箔、E型玻璃纖維布和環(huán)氧樹脂。這三種材料的膨脹系數(shù)相差較大，其中環(huán)氧樹脂的線膨脹系數(shù)是60×10-6/℃，銅的線膨脹系數(shù)是17×10-6/℃，玻璃纖維的線膨脹系數(shù)是5×10-8/℃。從數(shù)據(jù)可以看出，環(huán)氧樹脂的線膨脹系數(shù)最大，其次是銅箔，玻璃纖維布的線膨脹系數(shù)最小，環(huán)氧樹脂的線膨脹系數(shù)是玻璃纖維布的1200倍，銅箔的線膨脹系數(shù)是玻璃纖維布的340倍。

1 覆銅板熱膨脹分析

圖1、圖2表示玻璃纖維布和FR-4覆銅板的一般結(jié)構(gòu)。

FR-4覆銅板是數(shù)張平紋織布玻璃纖維布（見圖1）浸漬環(huán)氧樹脂膠后連續(xù)堆疊，并經(jīng)熱壓而成；如果除去銅箔，F(xiàn)R-4覆銅板僅是玻璃纖維布和環(huán)氧樹脂的復(fù)合材料；在板材的X、Y軸方向，由于玻璃纖維呈連續(xù)分布，其熱膨脹率取決于玻璃纖維布，故此方向的熱膨脹率較小；但在板材的Z軸方向（圖2厚度剖面），是依靠環(huán)氧樹脂將數(shù)張玻璃纖維布粘結(jié)在一起，所以，此方向的膨脹率遠大于X、Y軸方向。

圖3中，覆銅板在后續(xù)的PCB加工過程中，在Z軸方向要進行鉆孔和孔金屬化加工（通孔電鍍銅），使兩面焊盤通過孔內(nèi)銅相互連接，達到線路互連的目的。

經(jīng)過孔金屬化加工的PCB板，還要經(jīng)過熱風整平和回流焊或波峰焊，其溫度高達230 ～ 270℃。在高溫下，覆銅板基材沿Z軸方向明顯產(chǎn)生熱膨脹，如果超過孔內(nèi)銅的膨脹率，將會導(dǎo)致孔內(nèi)銅被拉斷，造成PCB板失效。（當然，在X、Y軸方向，雖然有連續(xù)玻纖增強，膨脹率明顯小于Z軸方向，但如果長時間受熱，也會產(chǎn)生明顯漲縮現(xiàn)象，嚴重時會導(dǎo)致對位不準）

2 減小Z軸熱膨脹率的思路和方法

從FR-4覆銅板三大原材料分析，減小Z軸膨脹率：

銅箔：雖然銅箔的線膨脹系數(shù)較玻璃纖維布大，但其在PCB板厚度中所占比例很小，所以它的膨脹占PCB板的總量較小，而且PCB板Z軸方向沉銅孔端與銅箔面聯(lián)接，表面層銅箔膨脹不會對沉銅孔產(chǎn)生破壞性拉升，因此銅箔的膨脹幾乎可以忽略。

玻璃纖維布：采用低膨脹系數(shù)的玻璃纖維，經(jīng)過對玻璃纖維經(jīng)緯紗密度、紗線結(jié)構(gòu)等進行調(diào)整、改進，以減少覆銅板的CTE；也有的廠家采用雙股經(jīng)紗、雙股緯紗，減少玻纖布面孔隙率，提高玻纖纖維體積填充率，來降低板材的CTE；還有些是采用芳酰胺型混織布的方式達到低CTE的目的。

樹脂：從樹脂體系入手，采用雙官能團環(huán)氧樹脂與多官能團環(huán)氧樹脂混用，提高環(huán)氧樹脂固化體系交聯(lián)密度的方法，板材的玻璃化溫度Tg提高的同時，板材CTE相對應(yīng)的會減?。贿€有采用耐熱級別更高的樹脂來降低板材CTE。

但無論是特殊玻璃布還是高性能環(huán)氧樹指，價格都相對較高，如果在普通消費類電子產(chǎn)品中使用這款FR-4覆銅板，它的價格客戶難以接受。因此，有必要開發(fā)低成本，CTE又適應(yīng)于普通電子產(chǎn)品需求的覆銅板。

首先，我們從提高板材中玻璃纖維的含量著手，但是，實驗結(jié)果表明，板材中玻璃纖維含量過大，環(huán)氧樹脂比例就必然降低，最終影響了玻璃布間的結(jié)合力，甚至影響覆銅板的電氣絕緣性能。

因而，要降低覆銅板的熱膨脹系數(shù)，我們轉(zhuǎn)向從覆銅板主體樹脂的研究著手，以價格相對較低的酚醛樹脂作為固化劑，形成一個耐熱性相對較好的固化結(jié)構(gòu)，并加入線膨脹系數(shù)較小的無機填料（例如二氧化硅，膨脹系數(shù)是 14×10-6/℃）；在膠液的配置工藝上采用高速剪切攪拌裝置，提高了無機填料在環(huán)氧樹脂中的分散均勻，應(yīng)用了偶聯(lián)劑界面處理技術(shù)，使無機填料充分地與樹脂結(jié)合，從而使樹脂體系達到高分散、高粘接作用。

3 實驗部分

3.1 主要原材料

3.2 制作步驟

將酚醛樹脂、固化劑與有機溶劑配制成溶液，依次加入環(huán)氧樹脂、無機填料，最后加入固化促進劑，混合乳化分散6-10小時，制成樹脂組合物。①將配制好的樹脂組合物涂覆在7628電子級玻璃纖維布上，在150-170℃烤箱中烘烤3-5分鐘，制成玻璃布半固化片；②取8張制作好的玻璃布半固化片堆疊在一起，然后在最外面的玻璃布半固化片上各貼敷一張電解銅箔；③將上述配好的坯料送入真空熱壓機中，在60-210℃溫度、6-80kgf/cm2壓力和10mmHg真空度下熱壓2-3小時，經(jīng)過冷卻后即制成FR-4覆銅板。

3.3 主要檢測項目及檢測儀器

4 板材測試結(jié)果

5 結(jié)束語

采用結(jié)構(gòu)中含有多羥基的NOVOLAC酚醛樹脂環(huán)氧樹脂固化劑，提高環(huán)氧樹脂固化交聯(lián)密度；采用二氧化硅無機填料，降低高分子材料交聯(lián)固化后的熱膨脹系數(shù)，開發(fā)出一種既經(jīng)濟又具有較低Z軸熱膨脹的耐熱性覆銅板，其在玻璃轉(zhuǎn)化溫度前的熱膨脹系數(shù)較常規(guī)FR-4下降35.7%，更接近于銅的熱膨脹系數(shù)，降低了產(chǎn)品在PCB加工過程中熱沖擊帶來的孔銅斷裂風險，產(chǎn)品可靠性明顯提高。

參考文獻：

[1]辜信實.印制電路用覆銅箔層壓板[M].化學工業(yè)出版社，2013.

[2]師劍英.高耐熱、低膨脹系數(shù)覆銅板開發(fā)思路[J].覆銅板資訊，2008（01）：18-44.

[3]曾憲平.新一代高耐熱高模量低CTE覆銅箔層壓板材料[J].覆銅板資訊，2008（06）：26-31.

[4]George Wypych編著.程斌，于運花，黃玉強，譯.填料手冊[M].二版.中國石化出版社，2003.