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高性能环氧玻纤布覆铜板一、概述电子产品和电路组装技术的新发展，推动着印制电路板制造技术向着高密度与多层化方向发展，PCB也变得越来越轻、薄、短、小。伴随着PCB高密度化的发展，要求基板图形精细，微小孔径，导线窄间距，为适应制作的需要，加工技术也随之出现较大的提高，采用了UV感光制作阻焊膜、光学自动检测（AOI）线路技术，孔加工技术向更微细机械钻孔及新一代的激光钻孔技术发展；在多层化方面，加工层数由以往的4~8层，向更高的层数方向发展，层间通过埋盲孔技术连接也变得更为普及；另外，积层法（BuildUp）技术的成熟与普及，涌现出IVH（InterstitialViaHole）积层多层板和多裸芯片安装（MCM）基板，PCB正从两维空间向三维立体化组装方向迈进。技术的变革促进了材料的多样化，以往用一种代表性的基板材料来满足PCB一切需求的现象已不复存在，安装技术的进步，元件的革新，电子产品用途的不断扩大，对PCB基板材料———覆铜板的性能提出了更高的要求，为适应技术发展的需要，近年来，在国外，研制开发了聚酰亚胺（PI）、聚四氟乙烯（PTFE）、双马来酰亚胺改性三嗪（BT）、聚苯醚（PPE）等覆铜板，但是，通过对覆铜板最通用的材料———环氧树脂的配方改进，提高制成板的性能，仍是提高覆铜板性能的重要途径。由于改进后的环氧树脂玻纤布板材具有制造成本较低、制造工艺与PCB加工性能好，因此具备了广阔的应用市场和发展前景。二、高性能环氧玻纤布覆铜板（一）阻挡UV与AOI兼容随着PCB线路密度大大提高，线路板的加工技术出现较大的改进，以往采用丝网印制热阻焊膜的传统工艺，难以满足日趋精密的线路要求，正逐渐被光敏阻焊剂工艺所取代，采用这种方法，在线路板的两面涂上液体感光阻焊剂，再进行紫外光双面曝光，然后进行显影、光固和热固化形成阻焊膜。由于紫外光在传统基材内有一定的穿透性，因此，当紫外光会从线路板的一面穿过另一面，使另一面不需感光的阻焊膜发生曝光，从而在显影后出现不应存在的阻焊膜，称为重影图像（GHOSTIMAGE），对于薄板，重影图像更易出现。这样极大影响线路板的合格率。为了避免在产品中出现重影图像，因此，PCB厂家通常采用降低曝光能量或逐面曝光操作，但这样大大降低生产效率。另外，在线路板加工中，为了检查PCB板线路的断路、掉线及铜箔残留等缺陷，以往多采用目视及电检等检测手段，随着线路的精细化，采用上述做法难以检测出PCB的缺陷，且容易产生漏检。因此，采用了光学自动检测（AOI）方法在PCB板上照射激光，通过读取光信号，检测出线路上的缺陷，而实现对板材的检测；一般的光学检查设备分有反射光确认方式与荧光确认方式，反射光确认方式是向铜导线上照射激光，再检测其反射光，便能判别铜导线的缺陷，这种检测多用于外层检验；而荧光确认方式，则是利用氩激光作为照射光源，基板的树脂吸收氩激光并激发出较低能量的荧光，通过测定基板上的荧光，使基材部分的检查成为可能，这种方法多用于内层检验。为适合PCB制作工艺的需要，覆铜板的性能除了满足原有性能外，还必须有阻挡紫外光的能力以及荧光特性，能适应自动光学检测的要求。目前，在PCB阻焊膜制作工艺中，采用的光敏阻焊剂，其感光范围处于350~420nm的近紫外光区，为阻挡其穿透基板，要求基板材料要能吸收相应的紫外光；提高基板UV光阻挡能力有多种途径，如在基板中引入屏蔽UV的玻纤布，在玻璃的配方中加入具有阻挡或吸收紫外光的成分，如日本电气玻璃公司和日东纺公司，采用在E-型玻璃成分中加入1.9%~6.0%的Fe2O3和0.2%~6.0%的TiO2，使试样对360nm.波长紫外线透过率减小到0~0.2%；或者是对玻璃拉丝时，对布进行表面处理与涂覆，在玻璃纤维上涂上一层吸收UV光的涂料，但采用此类玻纤布存在成本高的缺点。在板材中加入填充料，增加板材不透明度，从而阻挡UV光的透过也是一种较好的制作方法，但由于填充料的光散射作用会引起UV光穿过阻焊膜底片到不电镀的定位孔边棱处，使不电镀的定位孔的凸出部位形成聚合了的阻焊膜环；此外，填料的采用还会带来使用工艺（如填料的分散）及板材电气、机械性能等问题。在环氧树脂加入少量紫外光吸收剂，如加入苯并三唑、香豆素与苯并唑噻吩类等材料，可以使板材有效地吸收紫外光，并可根据PCB的需要，确定添加量，但一般不超过10%。对于板材的荧光特性，可采用加入荧光吸收剂的做法，如加入反射峰为350~550nm的荧光材料：吡唑啉类化合物（化学式1）、3,7,3,4_四羟（基）黄酮等类黄酮（化学式2）。化学式中R1,R2,R3为;H烷基、芳基、酰基、多糖类、多糖类的烷基酯或酰基化合物，在树脂中添加紫外线吸收剂与荧光材料，使用时必须考虑到与环氧树脂的相溶性，添量过多时，板材自身的颜色有较大的变化，加热会变色，耐热性变差，耐溶剂性差。因此，目前，多采用添加四官能环氧树脂———四苯酚乙烷烯四缩水甘油醚，如SHELL公司EPONI031树脂，由于四官能环氧树脂结构中可形成离域共轭π键，从而赋予板材优异光学性能，对UV光有较强的吸收作用，并能产生荧光效果；另外，分子中多个环氧基，可参与固化反应，提高了树脂交联密度，使板材有较佳的物理、化学性能。对于板材的光学性能，还得考虑实际生产中四官能环氧树脂的添加量及板材厚度直接影响着板材的UV阻挡能力。随着板材厚度的增加，UV的阻挡能力逐渐增加；而四官能环氧树脂添加量的增加时，UV透过率随之降低。因此，四官能环氧树脂的添加必须兼顾板材厚度的影响，使不同厚度的制成板对UV光有相一致的阻挡效果；在1995年，广东生益科技股份有限公司在开发紫外光阻挡型覆铜板，通过一系列配方试验，确定了四官能环氧的最佳使用量，结合使用工艺，使得制成板（板厚=0.4mm）UV透过率控制在1%以内，见图9-1和图9-2。（二）低介电常数计算机、移动通信与网络等对生活每个角落的渗透，使得人类社会正稳步朝高度信息化方向迈进，信息处理与信息通信构成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，所追求的是信息处理的高速化、记忆容量的增大化以及体积的小型化；另一方面，在信息通信技术方面，为确保其不断增加的通讯容量，通讯方式由模拟信号向数字化信号发展，以手机、卫星通信及蓝牙技术等为代表的移动通信，为了增加通道数，实现高性能化和多功能化，使用频率从MHz向GHz频段转移，进入高频甚高频、超高频领域。可以看出，信息处理和信息通讯技术方面的发展，促进了具有优异的高频特性的覆铜板的问世和制造技术达到更高水平。在频率300MHz以上的范围，一般称为高频；在高频电路上应用的覆铜板，必须具备有良好的介电特性———低介电常数与低介质损耗角正切，通常的情况下，印制线路板上导线内的电气信号传播速度V（m/s）由下式表示：当越ξr小，其V就越高，即传播速度越快；因而，利用印制线路板的低介电常数化，来达到信号传播速度的高速化；其次，信号传播过程中的传输损失与信号在导体内损失及介质内损失有关。导体内的信号损失与ξr的平方根成正比；介质内损失则与ξr的平方根及tanδ成正比，另外，介质内损失还与频率有关，频率越大，传输损失越大，因此，使用低介电常数与低介质损耗的基板材料，有助于降低传输损失；同时，减少介质对短波的吸收量及产生的板材热效应。在高频条件下，印制线路从原来的以导电为目的的功能，向以信号传输为目的的角色转变，对于多层印刷电路板来说，要达到高频下的电信号稳定的传输，电路板的特性阻抗（Zo）必须考虑与装配元件相匹配。多层板带状线的特性阻抗计算公式：从上式可见，介电常数越低，在保证一定特性阻抗的情况下，绝缘层的厚度可以做得更薄，从而使板材薄型化。另外，传输特性阻抗越高，信号的时间延迟就越小，传输速度也就越快，计算机的主频也可相应提高。若只是通过提高绝缘层厚度来增加特性阻抗值，电路板中信号层与地层间的电容将增大，势必增大信号的串扰，产生噪声，增大PCB的功耗；同时，也给板材的钻孔及金属化工艺来困难。高频电路用覆铜板的介电特性取决于组成成分———树脂与增强材料，根据介质材料混合后ξr的理论计算公式:Inξr=ΣVi.Inξr其中i(为材料所占的百分数，由于可见降低板材中树脂或增强材料的ξr，提高低ξr材料的比例，将可有效降低制成板介电常数。作为增强材料，一般选用玻璃纤维布，玻纤布的介电特性取决其玻璃成分，不同型号玻纤布的特性见表9-2，其中，D和O玻纤布虽具有优秀的介电性能，但其机械加工性差、钻头磨损大，价格昂贵，使用上受限制，因此，仍以E玻纤布为主。近年来，国外开发了低介电常数新型的E玻纤布（NE玻纤布），这种E玻纤布具有较好的介电性能，而且其他性能近似于E玻纤布。可以肯定，NE玻纤布的开发和应用，将促进高性能覆铜板的进一步发展。在环氧树脂的介电性能上，采用低介电常数的氟化树脂、聚苯醚与氰酸酯等对环氧进行改性，可得到综合性较佳的低介电常数板材，但由于材料特性差异较大所带的加工难度，以及价格因素，应用受一定的影响。从聚合物介电常数与分子极化率的关系式Clausius-Mosotti方程式可知，在固化树脂的分子设计中，引入摩尔极化率小、摩尔体积大的原子团，有利于降低树脂体系的ξr。从表9-3可见，分子极性大小决定着介质介电常数。对普通FR-4体系，采用溴化双酚A型环氧树脂，分子结构中含有高极性的羟基；另外树脂在固化时，环氧基与固化剂双氰胺胺基产生环氧基开环反应，产生了二次羟基，使得固化体系的极性增加，这些促使FR-4具有较高的介电常数。在低介电常数的树脂体系方面，可通过在环氧树脂结构中引入烷基结构，如分子含有萜烯结构和在苯环上有烷基取代的特殊环氧树脂；采用含脂环族结构的酚醛树脂（如双环戊二烯类酚醛）作固化剂，或通过聚合反应，消耗极性基团（特别是羟基），使固化后体系的极性基含量下降，可有助于改善体系的介电性能。日本住友电木公司便利用这种机理，选用脂环族改性酚醛树脂代替传统的双氰胺固化剂，并配合氰酸酯树脂，控制OH的浓度，制成板材介电常数为3.7（1GHz），介质损耗角正切为0.009。除材料具有介电特性外，降低树脂的吸水率、提高板材中树脂含量以及提高树脂的固化程度也可有效地改善板材的介电性能。生益公司采用特殊环氧树脂体系，开发了ξr为3.9的低介电常数板材，其材料的介电特性见表9-4。（三）高耐热性随着印制电路板朝精细、薄型、多层化方向发展，生产与使用工艺日趋苛刻，对基板材料的性能提出了更高的要求；特别是SMT高密度贴装技术的发展，PCB加工及元器件安装中，需要经受更多次的热冲击与热加工，只有提高板材的耐热性，才能使可靠性有所保证和提高；微小孔在加工时，在保证高孔壁精度前提下，为了有效削切树脂，需要更高钻速，孔壁发热多，带来了钻污问题，因而要求板材有更高的耐热性；而对PCB镀通孔的可靠性，则要求板材有较高的玻璃化温度。此外，为了提高产品在高温环境下应用的可靠性，板材耐热性成为不可缺少的性能要求。在以玻纤布为增强材料的PCB基板材料中，环氧体系的FR-4板由于具有诸如高的铜箔剥离强度，良好的绝缘性能和可加工性，而成为目前通用产品，但是，普通FR-4板玻璃化温度在130~140℃间，Z轴方向热膨胀系数大，耐热性低，钻孔时易产生树脂腻污，加工时收缩大，不利对位等缺点，使用上有一定的局限，特别对于制作多层板，普通FR-4材料只能用10层以下的多层板，大于10层时便显得有点力不从心；而基于其树脂结构，板材在超过Tg高温下，各项性能降幅较大，限制其在高温环境下的使用，因此，提高FR-4的玻璃化温度与耐热性能，拓宽其板材生存空间已成生产厂商的开发重点。板材的耐热性能取决于树脂组成，提高热固性树脂耐热性能的根本方法是改变树脂分子结构与交联结构，另外，聚合物主链的刚性强度、固化温度，增塑剂的添加及高分子链侧基的位阻效应等影响也很大，在热固性树脂分子中，引入可参与聚合的极性基团（酰亚胺基、氰酸基、亚磺酸基）和位阻较大的基团（如芳香基），提高固化物交联密度，均可有效提高聚合物耐热性。另外，在树脂中引入耐高温热塑材料，通过互穿网络（1P