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撓性覆銅板用無鹵阻燃膠粘劑的研制

2013-04-29 00:44:03茹敬宏劉生鵬
粘接 2013年8期

茹敬宏 劉生鵬

摘要:采用端羧基丁腈橡膠對環(huán)氧樹脂增韌改性,以4,4′-二氨基二苯砜為固化劑、1-氰乙基-2-乙基-4-甲基咪唑?yàn)楣袒龠M(jìn)劑,運(yùn)用磷阻燃機(jī)制和成碳阻燃技術(shù),研制出一種撓性覆銅板用無鹵阻燃膠粘劑。利用DSC、TGA分別表征膠粘劑的固化反應(yīng)性和成碳率,探討了膠粘劑的增韌、固化和阻燃機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明,該無鹵阻燃環(huán)氧阻燃膠粘劑具有優(yōu)良的柔軟性、粘接性、耐熱性和阻燃性,適用于制作撓性覆銅板。

關(guān)鍵詞:膠粘劑;無鹵;阻燃;撓性覆銅板(FCCL)

中圖分類號:TQ433.4+37 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1001-5922(2013)08-0034-05

膠粘劑是有膠型FCCL(也稱3層法FCCL)3大組成部分(銅箔、膠粘劑、絕緣基膜)之一,要求具有優(yōu)良的粘接性、耐熱性、柔軟性、耐化學(xué)性、阻燃性和電性能等。常用的有聚酯膠粘劑、改性環(huán)氧膠粘劑、丙烯酸酯膠粘劑、聚酰亞胺膠粘劑等[1],其中改性環(huán)氧膠粘劑應(yīng)用最多。FCCL一直使用含溴阻燃劑、三氧化二銻等來滿足阻燃性的要求。近年來,隨著手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、電腦等電子設(shè)備向綠色環(huán)保化發(fā)展,對作為電子設(shè)備用撓性印制電路(FPC)基材的FCCL,提出了無鹵無銻和符合有關(guān)環(huán)保法令法規(guī)(例如,歐盟RoHS指令)的要求[2],膠粘劑的無鹵阻燃化是關(guān)鍵,各FCCL廠家紛紛展開相關(guān)研究[3~5]。

本文從成碳率、柔軟性、相容性、粘接性等方面考慮,選用聯(lián)苯型環(huán)氧樹脂和雙酚A型環(huán)氧樹脂組成主體樹脂,采用端羧基丁腈橡膠(CTBN)對環(huán)氧樹脂進(jìn)行增韌改性,運(yùn)用磷阻燃機(jī)制和成碳阻燃技術(shù),研制出一種不使用含鹵阻燃劑的FCCL用阻燃膠粘劑,并考查了其基本性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

聯(lián)苯型環(huán)氧樹脂(環(huán)氧當(dāng)量280 g/eq)、雙酚A型環(huán)氧樹脂(環(huán)氧當(dāng)量490 g/eq)、端羧基丁腈橡膠(固體)、4,4′-二氨基二苯砜(4,4′-DDS)、1-氰乙基-2-乙基-4-甲基咪唑(2E4MZ-CN)、含磷阻燃劑A、含磷阻燃劑B、氫氧化鋁(中位粒徑1 μm)、聚酰亞胺薄膜(厚度12.5μm)、壓延銅箔(厚度18μm);均為工業(yè)品。

1.2 主要儀器設(shè)備

凝膠化測試儀,美國CECO;Q10 DSC測試儀,美國TA;TGA 2950測試儀,美國TA;小型涂布機(jī),廣州詠鑫;JK20502真空快壓機(jī),珠海精科;ASIDA-BLY剝離強(qiáng)度測試儀,東莞正業(yè);DX-500離子色譜儀,美國戴安;Z0.5材料試驗(yàn)機(jī),德國ZWICK;PHH-101高溫試驗(yàn)箱,廣州愛斯佩克;燃燒測試儀,德國HVUL。

1.3 膠粘劑及FCCL制備

預(yù)先用丁酮溶解端羧基丁腈橡膠、環(huán)氧樹脂,分別制得橡膠溶液、環(huán)氧樹脂溶液。

將4,4′-DDS、2E4MZ-CN用丁酮完全溶解,依次加入環(huán)氧樹脂溶液、橡膠溶液、含磷阻燃劑、氫氧化鋁、助劑等,攪拌5 h,制得固體含量40%的膠粘劑溶液(膠液)。

取上述膠液,涂在聚酰亞胺薄膜上,控制干膠厚度15 μm,經(jīng)烘干、部分交聯(lián),再與壓延銅箔熱壓覆合,然后放入160 ℃烘箱中固化2 h,制成FCCL。

1.4 性能測試

1)凝膠化時間(GT)

采用拉絲法。設(shè)定加熱盤溫度為171 ℃,往加熱盤中部滴加膠液約20 mg,然后用一根牙簽,以一定角度和速度攪動盤內(nèi)膠液,牙簽攪動范圍不超過1 cm,當(dāng)膠粘劑提取無絲、不粘加熱盤時判為終點(diǎn),記錄時間。

2)差示掃描量熱(DSC)分析

將膠液于60 ℃烘烤1 h,除去大部分溶劑后進(jìn)樣,升溫速率10 ℃/min,測量范圍50~300 ℃,空氣氣氛。

3)固化物表觀物性分析

取適量膠液于160 ℃烘烤2 h后,觀察固化物的色澤、柔軟性等。

4)成碳率

采用TGA測試儀。取適量膠液于160 ℃烘烤2 h后的固化物為測試樣品,測試條件是:N2氣氛、升溫速率10 ℃/min,測量范圍:室溫→700 ℃。

5)回彈力

用于量化評價膠粘劑及FCCL的柔軟性,回彈力越小,表示材料越柔軟。測試時將FCCL的銅箔蝕刻掉,試樣150 mm×15 mm,采用材料試驗(yàn)機(jī)及專用夾具測試,測試壓合間隙1 mm、保持1 min的回彈力。

6)剝離強(qiáng)度

按照IPC-TM-650《試驗(yàn)方法手冊》T2.4.9D“撓性印制線路材料的剝離強(qiáng)度”進(jìn)行。

7)耐浸焊性

試樣尺寸50 mm×50 mm,將試樣放進(jìn)288 ℃的焊錫中,觀察板材分層起泡時間。

2 結(jié)果與討論

2.1 環(huán)氧樹脂用量對FCCL性能的影響

選用聯(lián)苯型環(huán)氧樹脂基于其成碳率高(25.1%)、柔韌性好[6]。雙酚A型環(huán)氧樹脂粘接性能優(yōu)異,它們均與CTBN的相容性好。表1對比了膠粘劑體系中聯(lián)苯型環(huán)氧樹脂和雙酚A型環(huán)氧樹脂的不同含量對FCCL性能的影響。提高雙酚A型環(huán)氧樹脂用量,有助于提高粘接性;提高聯(lián)苯型環(huán)氧樹脂用量,則有助于改善膠粘劑的柔軟性和阻燃性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,聯(lián)苯型環(huán)氧樹脂與雙酚A型環(huán)氧樹脂質(zhì)量比為7∶3較適宜。

2.2 膠粘劑的增韌改性

環(huán)氧樹脂存在韌性不足、易開裂等缺點(diǎn),必須增韌改性才能滿足撓性覆銅板對膠粘劑的高柔軟性要求。選用的CTBN具有增韌劑和粘料的雙重作用。從表2可以看到,隨著CTBN用量的增加,板材剝離強(qiáng)度逐漸提高,但用量超過一定值時,板材剝離強(qiáng)度又開始下降。

另外對沖擊斷裂表面進(jìn)行SEM掃描(加速電壓15 kV,距離11.6 mm),從照片可見,含有CTBN的膠粘劑固化物的斷裂口呈韌窩狀花樣,主要表現(xiàn)為韌性斷裂,而不含CTBN的膠粘劑固化物的斷裂口呈浮雕狀及碎片狀,表現(xiàn)為脆性斷裂。這說明加入CTBN提高了膠粘劑的柔軟性。

由于CTBN的成碳率(2.4%)很低,容易著火燃燒,CTBN用量不能太高。綜合考慮,CTBN用量占環(huán)氧樹脂和CTBN總量的30%~40%較適宜。

2.3 膠粘劑的固化

采用了耐熱型固化劑4,4′-DDS,固化促進(jìn)劑則用2E4MZ-CN[7],結(jié)果見表3和圖2。不同固化劑用量的膠液的GT基本相同,放熱峰位置基本一致,其中~110 ℃、~150 ℃、~260 ℃、~270 ℃的峰分別是殘留溶劑揮發(fā)的吸熱峰、咪唑反應(yīng)的放熱峰、DDS反應(yīng)的放熱峰、氫氧化鋁分解的吸熱峰。可見膠粘劑反應(yīng)初期的凝膠化主要是咪唑在起作用,這有助于CTBN的羧基與環(huán)氧樹脂的環(huán)氧基之間的反應(yīng)。隨著固化劑用量的增加,固化物的色澤逐漸變淺、柔軟性下降,這與固化交聯(lián)密度增大和芳香胺類固化劑會增加膠粘劑剛性有關(guān)。交聯(lián)密度大雖然有助于提高膠粘劑的耐熱性,但會降低膠粘劑的柔軟性和FCCL的撓曲性能。

由表4數(shù)據(jù)可見,環(huán)氧樹脂/固化劑當(dāng)量比對FCCL性能的影響不甚明顯。固化劑用量越少,膠粘劑的交聯(lián)密度越低,分子骨架的柔順性越好,剝離強(qiáng)度越高;反之,膠粘劑的交聯(lián)密度和硬度增大,膠層柔軟性下降,進(jìn)而導(dǎo)致板材撓曲性能下降。為了兼顧各項(xiàng)性能,環(huán)氧樹脂當(dāng)量大于固化劑當(dāng)量,即環(huán)氧樹脂過量。

2.4 膠粘劑的阻燃性[8]

本研究選用3種添加型阻燃劑,包括含磷阻燃劑A、含磷阻燃劑B和氫氧化鋁,克服了單一阻燃劑的不足,使無鹵阻燃膠粘劑在獲得良好阻燃性的同時,仍具有較好的柔軟性、粘接性等。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),含磷阻燃劑A的阻燃效果顯著,但由于它不溶于溶劑且有一定剛性,隨著其用量增加,膠粘劑的柔軟性和剝離強(qiáng)度都會下降;含磷阻燃劑B易溶于丁酮中,能滲透擴(kuò)散至環(huán)氧樹脂和CTBN的分子鏈間,使分子鏈間的相互作用減弱、塑性增加,起到了增塑劑的作用,有助于提高了膠粘劑的柔軟性,但是同時也會使膠粘劑交聯(lián)密度降低,因此,含磷阻燃劑B用量過多也會降低膠粘劑的粘接性和剝離強(qiáng)度。表5對比了3種添加型阻燃劑不同質(zhì)量比對FCCL性能的影響,說明配合使用阻燃劑,能在提高膠粘劑阻燃性的同時,改善膠粘劑和FCCL的柔軟性。綜合考慮,含磷阻燃劑A、含磷阻燃劑B和氫氧化鋁質(zhì)量比為15∶12∶20較合適,即表5中的5號配方。

采用TGA對表5中1~7號膠粘劑固化物進(jìn)行成碳率分析,測試圖見圖3,結(jié)果見表5,為便于比較,氫氧化鋁分解后的殘余物也作為“碳”計(jì)算。結(jié)果顯示,膠粘劑固化后的成碳率均比各組分成碳率總和高,添加含磷阻燃劑的膠粘劑固化物的成碳率提高幅度較大,這與含磷阻燃劑的凝聚相阻燃機(jī)理有關(guān),它能促進(jìn)碳層的生成。

2.5 膠粘劑的鹵素含量分析

IPC、JPCA等對滿足氯含量≤900×10-6、溴含量≤900×10-6、氯和溴總含量≤1 500×10-6要求的覆銅板稱為無鹵覆銅板[9,10]。按照J(rèn)PCA-ES-01-2003《印制板用無鹵型覆銅板試驗(yàn)方法》檢測膠粘劑固化物的鹵素含量。檢測結(jié)果表明,無鹵阻燃膠粘劑的氯含量為763×10-6,沒檢測出溴元素。所檢測出的氯來自環(huán)氧樹脂,用環(huán)氧氯丙烷與雙酚A合成環(huán)氧樹脂時,因有副反應(yīng)以及水洗不完全,在環(huán)氧樹脂中殘留了微量的可水解氯和無機(jī)氯。

膠粘劑是有膠型FCCL(也稱3層法FCCL)3大組成部分(銅箔、膠粘劑、絕緣基膜)之一,要求具有優(yōu)良的粘接性、耐熱性、柔軟性、耐化學(xué)性、阻燃性和電性能等。常用的有聚酯膠粘劑、改性環(huán)氧膠粘劑、丙烯酸酯膠粘劑、聚酰亞胺膠粘劑等[1],其中改性環(huán)氧膠粘劑應(yīng)用最多。FCCL一直使用含溴阻燃劑、三氧化二銻等來滿足阻燃性的要求。近年來,隨著手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、電腦等電子設(shè)備向綠色環(huán)保化發(fā)展,對作為電子設(shè)備用撓性印制電路(FPC)基材的FCCL,提出了無鹵無銻和符合有關(guān)環(huán)保法令法規(guī)(例如,歐盟RoHS指令)的要求[2],膠粘劑的無鹵阻燃化是關(guān)鍵,各FCCL廠家紛紛展開相關(guān)研究[3~5]。

本文從成碳率、柔軟性、相容性、粘接性等方面考慮,選用聯(lián)苯型環(huán)氧樹脂和雙酚A型環(huán)氧樹脂組成主體樹脂,采用端羧基丁腈橡膠(CTBN)對環(huán)氧樹脂進(jìn)行增韌改性,運(yùn)用磷阻燃機(jī)制和成碳阻燃技術(shù),研制出一種不使用含鹵阻燃劑的FCCL用阻燃膠粘劑,并考查了其基本性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

聯(lián)苯型環(huán)氧樹脂(環(huán)氧當(dāng)量280 g/eq)、雙酚A型環(huán)氧樹脂(環(huán)氧當(dāng)量490 g/eq)、端羧基丁腈橡膠(固體)、4,4′-二氨基二苯砜(4,4′-DDS)、1-氰乙基-2-乙基-4-甲基咪唑(2E4MZ-CN)、含磷阻燃劑A、含磷阻燃劑B、氫氧化鋁(中位粒徑1 μm)、聚酰亞胺薄膜(厚度12.5μm)、壓延銅箔(厚度18μm);均為工業(yè)品。

1.2 主要儀器設(shè)備

凝膠化測試儀,美國CECO;Q10 DSC測試儀,美國TA;TGA 2950測試儀,美國TA;小型涂布機(jī),廣州詠鑫;JK20502真空快壓機(jī),珠海精科;ASIDA-BLY剝離強(qiáng)度測試儀,東莞正業(yè);DX-500離子色譜儀,美國戴安;Z0.5材料試驗(yàn)機(jī),德國ZWICK;PHH-101高溫試驗(yàn)箱,廣州愛斯佩克;燃燒測試儀,德國HVUL。

1.3 膠粘劑及FCCL制備

預(yù)先用丁酮溶解端羧基丁腈橡膠、環(huán)氧樹脂,分別制得橡膠溶液、環(huán)氧樹脂溶液。

將4,4′-DDS、2E4MZ-CN用丁酮完全溶解,依次加入環(huán)氧樹脂溶液、橡膠溶液、含磷阻燃劑、氫氧化鋁、助劑等,攪拌5 h,制得固體含量40%的膠粘劑溶液(膠液)。

取上述膠液,涂在聚酰亞胺薄膜上,控制干膠厚度15 μm,經(jīng)烘干、部分交聯(lián),再與壓延銅箔熱壓覆合,然后放入160 ℃烘箱中固化2 h,制成FCCL。

1.4 性能測試

1)凝膠化時間(GT)

采用拉絲法。設(shè)定加熱盤溫度為171 ℃,往加熱盤中部滴加膠液約20 mg,然后用一根牙簽,以一定角度和速度攪動盤內(nèi)膠液,牙簽攪動范圍不超過1 cm,當(dāng)膠粘劑提取無絲、不粘加熱盤時判為終點(diǎn),記錄時間。

2)差示掃描量熱(DSC)分析

將膠液于60 ℃烘烤1 h,除去大部分溶劑后進(jìn)樣,升溫速率10 ℃/min,測量范圍50~300 ℃,空氣氣氛。

3)固化物表觀物性分析

取適量膠液于160 ℃烘烤2 h后,觀察固化物的色澤、柔軟性等。

4)成碳率

采用TGA測試儀。取適量膠液于160 ℃烘烤2 h后的固化物為測試樣品,測試條件是:N2氣氛、升溫速率10 ℃/min,測量范圍:室溫→700 ℃。

5)回彈力

用于量化評價膠粘劑及FCCL的柔軟性,回彈力越小,表示材料越柔軟。測試時將FCCL的銅箔蝕刻掉,試樣150 mm×15 mm,采用材料試驗(yàn)機(jī)及專用夾具測試,測試壓合間隙1 mm、保持1 min的回彈力。

6)剝離強(qiáng)度

按照IPC-TM-650《試驗(yàn)方法手冊》T2.4.9D“撓性印制線路材料的剝離強(qiáng)度”進(jìn)行。

7)耐浸焊性

試樣尺寸50 mm×50 mm,將試樣放進(jìn)288 ℃的焊錫中,觀察板材分層起泡時間。

2 結(jié)果與討論

2.1 環(huán)氧樹脂用量對FCCL性能的影響

選用聯(lián)苯型環(huán)氧樹脂基于其成碳率高(25.1%)、柔韌性好[6]。雙酚A型環(huán)氧樹脂粘接性能優(yōu)異,它們均與CTBN的相容性好。表1對比了膠粘劑體系中聯(lián)苯型環(huán)氧樹脂和雙酚A型環(huán)氧樹脂的不同含量對FCCL性能的影響。提高雙酚A型環(huán)氧樹脂用量,有助于提高粘接性;提高聯(lián)苯型環(huán)氧樹脂用量,則有助于改善膠粘劑的柔軟性和阻燃性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,聯(lián)苯型環(huán)氧樹脂與雙酚A型環(huán)氧樹脂質(zhì)量比為7∶3較適宜。

2.2 膠粘劑的增韌改性

環(huán)氧樹脂存在韌性不足、易開裂等缺點(diǎn),必須增韌改性才能滿足撓性覆銅板對膠粘劑的高柔軟性要求。選用的CTBN具有增韌劑和粘料的雙重作用。從表2可以看到,隨著CTBN用量的增加,板材剝離強(qiáng)度逐漸提高,但用量超過一定值時,板材剝離強(qiáng)度又開始下降。

另外對沖擊斷裂表面進(jìn)行SEM掃描(加速電壓15 kV,距離11.6 mm),從照片可見,含有CTBN的膠粘劑固化物的斷裂口呈韌窩狀花樣,主要表現(xiàn)為韌性斷裂,而不含CTBN的膠粘劑固化物的斷裂口呈浮雕狀及碎片狀,表現(xiàn)為脆性斷裂。這說明加入CTBN提高了膠粘劑的柔軟性。

由于CTBN的成碳率(2.4%)很低,容易著火燃燒,CTBN用量不能太高。綜合考慮,CTBN用量占環(huán)氧樹脂和CTBN總量的30%~40%較適宜。

2.3 膠粘劑的固化

采用了耐熱型固化劑4,4′-DDS,固化促進(jìn)劑則用2E4MZ-CN[7],結(jié)果見表3和圖2。不同固化劑用量的膠液的GT基本相同,放熱峰位置基本一致,其中~110 ℃、~150 ℃、~260 ℃、~270 ℃的峰分別是殘留溶劑揮發(fā)的吸熱峰、咪唑反應(yīng)的放熱峰、DDS反應(yīng)的放熱峰、氫氧化鋁分解的吸熱峰。可見膠粘劑反應(yīng)初期的凝膠化主要是咪唑在起作用,這有助于CTBN的羧基與環(huán)氧樹脂的環(huán)氧基之間的反應(yīng)。隨著固化劑用量的增加,固化物的色澤逐漸變淺、柔軟性下降,這與固化交聯(lián)密度增大和芳香胺類固化劑會增加膠粘劑剛性有關(guān)。交聯(lián)密度大雖然有助于提高膠粘劑的耐熱性,但會降低膠粘劑的柔軟性和FCCL的撓曲性能。

由表4數(shù)據(jù)可見,環(huán)氧樹脂/固化劑當(dāng)量比對FCCL性能的影響不甚明顯。固化劑用量越少,膠粘劑的交聯(lián)密度越低,分子骨架的柔順性越好,剝離強(qiáng)度越高;反之,膠粘劑的交聯(lián)密度和硬度增大,膠層柔軟性下降,進(jìn)而導(dǎo)致板材撓曲性能下降。為了兼顧各項(xiàng)性能,環(huán)氧樹脂當(dāng)量大于固化劑當(dāng)量,即環(huán)氧樹脂過量。

2.4 膠粘劑的阻燃性[8]

本研究選用3種添加型阻燃劑,包括含磷阻燃劑A、含磷阻燃劑B和氫氧化鋁,克服了單一阻燃劑的不足,使無鹵阻燃膠粘劑在獲得良好阻燃性的同時,仍具有較好的柔軟性、粘接性等。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),含磷阻燃劑A的阻燃效果顯著,但由于它不溶于溶劑且有一定剛性,隨著其用量增加,膠粘劑的柔軟性和剝離強(qiáng)度都會下降;含磷阻燃劑B易溶于丁酮中,能滲透擴(kuò)散至環(huán)氧樹脂和CTBN的分子鏈間,使分子鏈間的相互作用減弱、塑性增加,起到了增塑劑的作用,有助于提高了膠粘劑的柔軟性,但是同時也會使膠粘劑交聯(lián)密度降低,因此,含磷阻燃劑B用量過多也會降低膠粘劑的粘接性和剝離強(qiáng)度。表5對比了3種添加型阻燃劑不同質(zhì)量比對FCCL性能的影響,說明配合使用阻燃劑,能在提高膠粘劑阻燃性的同時,改善膠粘劑和FCCL的柔軟性。綜合考慮,含磷阻燃劑A、含磷阻燃劑B和氫氧化鋁質(zhì)量比為15∶12∶20較合適,即表5中的5號配方。

采用TGA對表5中1~7號膠粘劑固化物進(jìn)行成碳率分析,測試圖見圖3,結(jié)果見表5,為便于比較,氫氧化鋁分解后的殘余物也作為“碳”計(jì)算。結(jié)果顯示,膠粘劑固化后的成碳率均比各組分成碳率總和高,添加含磷阻燃劑的膠粘劑固化物的成碳率提高幅度較大,這與含磷阻燃劑的凝聚相阻燃機(jī)理有關(guān),它能促進(jìn)碳層的生成。

2.5 膠粘劑的鹵素含量分析

IPC、JPCA等對滿足氯含量≤900×10-6、溴含量≤900×10-6、氯和溴總含量≤1 500×10-6要求的覆銅板稱為無鹵覆銅板[9,10]。按照J(rèn)PCA-ES-01-2003《印制板用無鹵型覆銅板試驗(yàn)方法》檢測膠粘劑固化物的鹵素含量。檢測結(jié)果表明,無鹵阻燃膠粘劑的氯含量為763×10-6,沒檢測出溴元素。所檢測出的氯來自環(huán)氧樹脂,用環(huán)氧氯丙烷與雙酚A合成環(huán)氧樹脂時,因有副反應(yīng)以及水洗不完全,在環(huán)氧樹脂中殘留了微量的可水解氯和無機(jī)氯。

3 結(jié)論

(1)以成碳率較高且柔韌性較好的聯(lián)苯型環(huán)氧樹脂為主體樹脂,配合使用雙酚A型環(huán)氧樹脂,2種樹脂質(zhì)量比例為7∶3。

(2)CTBN的用量占環(huán)氧樹脂和CTBN總和的30%~40%較適宜。

(3)采用環(huán)氧樹脂過量的配方有助于無鹵阻燃膠粘劑各性能的均衡。

(4)研制的無鹵阻燃膠粘劑,具有優(yōu)良的柔軟性、粘接性、耐熱性和阻燃性等性能,適合用于制作撓性覆銅板。

參考文獻(xiàn)

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