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密度和填充無機填料降低復合材料熱膨脹系數的方法，開發出一種既經濟又具有低Z軸膨脹的FR-4覆銅板。在玻璃化轉化溫度前Z軸熱膨脹系數（Z-CTE）較常規FR-4產品下降35.7%，更接近于銅的熱膨脹系數，降低了產品在PCB加工過程中熱沖擊帶來的孔銅斷裂風險，產品可靠性明顯提高。

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

隨著電子信息技術的高速發展，電子電器產品越來越集成化、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，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（Low Z-CTE），即板材的耐熱性要相對提高，熱膨脹系數CTE要相對降低。

FR-4覆銅板是應用最為廣泛的一類覆銅板，其構成成分主要有三大材料：銅箔、E型玻璃纖維布和環氧樹脂。這三種材料的膨脹系數相差較大，其中環氧樹脂的線膨脹系數是60×10-6/℃，銅的線膨脹系數是17×10-6/℃，玻璃纖維的線膨脹系數是5×10-8/℃。從數據可以看出，環氧樹脂的線膨脹系數最大，其次是銅箔，玻璃纖維布的線膨脹系數最小，環氧樹脂的線膨脹系數是玻璃纖維布的1200倍，銅箔的線膨脹系數是玻璃纖維布的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覆銅板的一般結構。

FR-4覆銅板是數張平紋織布玻璃纖維布（見圖1）浸漬環氧樹脂膠后連續堆疊，并經熱壓而成；如果除去銅箔，FR-4覆銅板僅是玻璃纖維布和環氧樹脂的復合材料；在板材的X、Y軸方向，由于玻璃纖維呈連續分布，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），是依靠環氧樹脂將數張玻璃纖維布粘結在一起，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銅相互連接，達到線路互連的目的。

經過孔金屬化加工的PCB板，還要經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軸方向明顯產生熱膨脹，如果超過孔內銅的膨脹率，將會導致孔內銅被拉斷，造成PCB板失效。（當然，在X、Y軸方向，雖然有連續玻纖增強，膨脹率明顯小于Z軸方向，但如果長時間受熱，也會產生明顯漲縮現象，嚴重時會導致對位不準）

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接，表面層銅箔膨脹不會對沉銅孔產生破壞性拉升，因此銅箔的膨脹幾乎可以忽略。

玻璃纖維布：采用低膨脹系數的玻璃纖維，經過對玻璃纖維經緯紗密度、紗線結構等進行調整、改進，以減少覆銅板的CTE；也有的廠家采用雙股經紗、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，采用雙官能團環氧樹脂與多官能團環氧樹脂混用，提高環氧樹脂固化體系交聯密度的方法，板材的玻璃化溫度Tg提高的同時，板材CTE相對應的會減小；還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氧樹指，價格都相對較高，如果在普通消費類電子產品中使用這款FR-4覆銅板，它的價格客戶難以接受。因此，有必要開發低成本，CTE又適應于普通電子產品需求的覆銅板。

首先，我們從提高板材中玻璃纖維的含量著手，但是，實驗結果表明，板材中玻璃纖維含量過大，環氧樹脂比例就必然降低，最終影響了玻璃布間的結合力，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，我們轉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構，并加入線膨脹系數較小的無機填料（例如二氧化硅，膨脹系數是 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氧樹脂中的分散均勻，應用了偶聯劑界面處理技術，使無機填料充分地與樹脂結合，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 板材測試結果

5 結束語

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

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