電路板填平工藝的研究

程秀蓮，高 慶，郝永平，霸書紅

（沈陽理工大學(xué)裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159）

含能復(fù)合薄膜是由2種或2種以上材料、按一定厚度比交替沉積而成的，在熱或電能刺激下，能發(fā)生放熱的化學(xué)反應(yīng)。因此，在輸入相同電能條件下，與橋絲換能元相比，含能復(fù)合薄膜換能元具有能量放大作用，從而實(shí)現(xiàn)降低向換能元輸入的初始激發(fā)能量、提高換能元輸出的點(diǎn)火能量的目的，比橋絲式火工品具有更好的點(diǎn)火性能和安全性能。

為了將含能復(fù)合薄膜與儲(chǔ)能電源連通，李勇[1]借鑒傳統(tǒng)的電雷管連接方式—電極塞連接法，將其封裝進(jìn)帶有腳線的絕緣塞中，其封裝過程大致為先用環(huán)氧膠將帶有基片的含能復(fù)合薄膜固定在絕緣塞凹槽中，再用導(dǎo)電鍵合絲連接含能復(fù)合薄膜的電極和絕緣塞腳線，最后用導(dǎo)電膠保護(hù)鍵合絲，通過絕緣塞的腳線與儲(chǔ)能電源實(shí)現(xiàn)連通。孫豐雅[2]研究了直接在已經(jīng)刻好電路的電路板上制備含能復(fù)合薄膜的連接方式，通過電路板上的電路可以與儲(chǔ)能電源連通；簡(jiǎn)化了封裝工藝，有利于向小型化，集成化發(fā)展，以便于多點(diǎn)起爆或點(diǎn)火的火工器件制備及小型化。但在刻好的電路板上，存在與其銅箔厚度相同的凹陷，而含能復(fù)合薄膜中導(dǎo)電層的厚度只有幾十到幾百納米，因此，直接在清洗干凈的電路板上制備的導(dǎo)電膜與銅電路之間不能導(dǎo)通，為此，必須將電路板上的凹陷用絕緣膠填平。然而，市售絕緣膠的黏度較大，涂膜厚度遠(yuǎn)大于電路板上覆銅板的厚度，大大增大了后續(xù)打磨的工作量；市售絕緣膠中含有易揮發(fā)溶劑，固化產(chǎn)物中易存在微小氣孔，不能滿足制備含能薄膜對(duì)基片的要求。本研究以磁控濺射制備鋁薄膜為例，研究了電路板填平膠與填平工藝，為導(dǎo)電薄膜與電路板的集成奠定了基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

Φ50.8×3Al靶（純度為99.99%），四川德陽奧納新材料有限公司；環(huán)氧樹脂（E-39D），無錫線廣化工原料有限公司；異佛爾酮二胺，分析純，山東佰仟化工有限公司；稀釋劑（502），武漢遠(yuǎn)成共創(chuàng)科技有限公司。FR-4單層覆銅板（板厚度為4 mm、銅箔厚度為35 μm），蘇州萬潤(rùn)絕緣材料有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

QHV-JGP400B型磁控濺射鍍膜儀，沈陽奇匯真空技術(shù)有限公司；SHZ-D（Ⅲ）型循環(huán)水式真空泵，鞏義市予華儀器有限公司；DGG-9100G型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司。QHQ型鉛筆硬度計(jì)，天津市金孚倫科技有限公司；F15B 經(jīng)濟(jì)型萬用表，深圳市時(shí)代華南儀器有限公司。

1.3 電路板填平工藝

1.3.1 填平膠的配制

先稱取一定量的E-39D，再按E-39D與502的配比，準(zhǔn)確稱取502，并加入到E-39D中，混勻，密封保存。

使用時(shí)，先稱取一定量的E-39D稀釋液，再按一定配比稱取固化劑加入到E-39D稀釋液中，混勻，即為填平膠。在適用期內(nèi)使用。

使用惰性稀釋劑時(shí)，胺類固化劑用量計(jì)算公式如（1）式所示。

式中，W為m克E-39D稀釋液所需固化劑的質(zhì)量（g）；a為環(huán)氧樹脂稀釋液中E-39D的質(zhì)量濃度（%）；M為胺的相對(duì)分子質(zhì)量；N為胺分子中活潑氫原子數(shù)目；Ev為環(huán)氧樹脂的環(huán)氧值。

使用活性稀釋劑時(shí)，胺類固化劑用量計(jì)算公式如（2）式所示。

式中，F(xiàn)v為活性稀釋劑的環(huán)氧值；其他符號(hào)同公式（1）。

1.3.2 電路板填平

FR-4單層覆銅板刻蝕電路后，留下與銅箔厚度相同的凹坑。直接或?qū)㈦娐钒宕蚰ズ髮⑸倭刻钇侥z滴在電路板上，用裁紙刀輕輕刮平，放置在水平的平面上，按規(guī)定的溫度和時(shí)間固化。固化后，用砂紙打磨至銅電路露出即可。

1.3.3 鋁橋制備

利用磁控濺射鍍膜儀按文獻(xiàn)[2]報(bào)道的工藝，在填平打磨后的電路板上制備厚度為636 nm的鋁橋。如圖1所示[2]。

圖1 電路板上的鋁橋膜Fig.1 Aluminum bridge film on printed circuit board

1.4 性能測(cè)試與表征

（1）硬度：按照GB/T 6739—1996《涂膜硬度鉛筆測(cè)定法》標(biāo)準(zhǔn)，采用鉛筆硬度計(jì)進(jìn)行測(cè)試（電路板填平固化后）。

（2）鋁橋電阻：采用萬用表分別對(duì)鋁橋2橋基最遠(yuǎn)距離間電阻R3.3和橋最遠(yuǎn)距離間電阻R1.7進(jìn) 行測(cè)試[依據(jù)R=ρl/s和圖1中鋁橋的尺寸（鋁塊的電導(dǎo)率ρ=2.83×10-8Ω·m[3]、鋁橋厚h=636 nm ），計(jì)算得出R3.3/ R1.7= 1.5，R1.7= 0.13 Ω，R3.3=0.20 Ω。鋁橋規(guī)格如圖2所示]。

圖2 鋁橋規(guī)格Fig.2 Aluminum bridge specifications

2 結(jié)果與討論（單位：mm）

2.1 單面覆銅板規(guī)格和環(huán)氧樹脂規(guī)格的篩選

由于環(huán)氧體系的FR-4板具有銅箔剝離強(qiáng)度較高，絕緣性能良好和可加工性，且制造成本較低，因而成為目前通用產(chǎn)品[4]。根據(jù)單面FR-4覆銅板基板的性能差異，基板和銅箔分別有不同的厚度等，使其成為系列化產(chǎn)品。本研究選用以玻纖布為基材，阻燃溴化E-39D為膠粘劑的普通FR-4板。為了便于手工操作，選取基材厚度為4 mm的較厚FR-4板。由于電路板上的銅箔和基板表面都吸附了空氣，用膠填平時(shí)，銅箔端面和基板形成的夾角處，空氣不易趕出，易形成內(nèi)部缺陷，因此銅箔不宜過厚，但電路板填平打磨時(shí)可能使銅箔變薄，影響其導(dǎo)電性能，所以選用厚度為35 μm ，厚度居中的銅箔。

由于電路板基材是采用環(huán)氧膠粘劑粘接的，因此，填平膠首選亦是環(huán)氧系膠粘劑，同系列物質(zhì)之間界面張力較小。涂膠填平時(shí)，易在電路板表面鋪展，固化后打磨和使用時(shí)填平層都不易與基材分離。一般膠層厚度為30～150 μm[5]。電路板填平厚度為35 μm，膠液宜偏稀為好。環(huán)氧值較大的環(huán)氧樹脂分子質(zhì)量較小，黏度亦小，但固化后體積收縮較大，因此選用環(huán)氧值偏大的E-39D，其揮發(fā)物≤0.5%[6]，其固化制品具有尺寸穩(wěn)定性較好等特點(diǎn)。

2.2 E-39D稀釋劑的選擇

稀釋劑分為活性稀釋劑和非活性稀釋劑。非活性稀釋劑在氣化固化過程中，易在固化產(chǎn)物中留下氣孔，使打磨后在其上面濺射的鋁橋電阻增大，故一般不選非活性稀釋劑。活性稀釋劑可與環(huán)氧固化劑之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不存在氣化問題，因此固化產(chǎn)物中無氣化產(chǎn)生的氣孔。環(huán)氧值和黏度均較小、用量少的活性稀釋劑與E-39D混合固化后體積收縮率較小，內(nèi)應(yīng)力亦較低，固化打磨過程中不易產(chǎn)生微小裂紋，在其上面濺射的鋁橋電阻也較小。在固化前為脫除填平膠中混合和涂膜過程中混入的空氣，需進(jìn)行真空脫氣，為防止稀釋劑在高真空度下氣化，宜選用沸點(diǎn)較高的稀釋劑。502和660稀釋劑的物理、化學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

由表1可知：660黏度較小，用量雖少但環(huán)氧值較大，沸點(diǎn)較低；502的環(huán)氧值較小，沸點(diǎn)較高，但黏度亦較高，用量也較大，因502具有環(huán)氧值較小的優(yōu)勢(shì)，可以對(duì)其黏度較高、用量亦較大導(dǎo)致其稀釋的固化物體積收縮率較大的缺點(diǎn)有一定的彌補(bǔ)作用。雖然660黏度、用量較少的優(yōu)點(diǎn)對(duì)環(huán)氧值較大導(dǎo)致其稀釋的固化物體積收縮率較大的缺點(diǎn)有一定的彌補(bǔ)作用，但沸點(diǎn)較低的缺點(diǎn)無法彌補(bǔ)，因此選用502作稀釋劑較適宜。

表1 E-39D稀釋劑的物理、化學(xué)性能參數(shù)[7]Tab.1 Physico-chemical properties of diluting agent for E-39D epoxy resin

2.3 固化劑及固化工藝的確定

脂肪胺類固化劑揮發(fā)性、毒性和固化產(chǎn)物的脆性均較大；芳香胺類固化劑雖然固化產(chǎn)物性能優(yōu)越，但也有一定的毒性，如間苯二胺（LD50=130～300 mg/kg），常態(tài)下為固體，使用不方便，由此選用脂環(huán)胺—異佛爾酮二胺為固化劑，此為透明液體，使用方便，其固化產(chǎn)物性能與芳香胺固化物相近，LD50為1 030 mg/kg，毒性明顯低于間苯二胺。

據(jù)文獻(xiàn)[7]報(bào)道，異佛爾酮二胺的固化條件為，80℃/4 h或150℃/1 h。根據(jù)異佛爾酮二胺的胺當(dāng)量和E-39D的環(huán)氧值，可以計(jì)算出異佛爾酮二胺∶E-39D質(zhì)量比為16.17～17.45∶100，502稀釋劑的環(huán)氧值≥0.4與E-39D的環(huán)氧值0.38～0.41[6]相近，加入502稀釋劑后，異佛爾酮二胺與E-39D稀釋液的質(zhì)量比亦為16.17～17.45∶100。本研究取異佛爾酮二胺與E-39D稀釋液的質(zhì)量比為17∶100。粟立軍[4]報(bào)道，普通FR-4板玻璃化溫度在130～140℃之間。因此，固化溫度定在130℃以下，不同固化工藝對(duì)涂膜硬度和打磨后濺射鋁橋電阻的影響如表2所示。

表2 固化工藝對(duì)硬度和鋁橋電阻的影響Tab.2 Effect of curing process on hardness and aluminum bridge resistance

由表2可知，階梯固化不僅涂膜的硬度高于80℃固化4 h的涂膜，而且鋁橋電阻也明顯變小；室溫負(fù)壓一定時(shí)間后階梯固化涂膜硬度不變，但鋁橋電阻明顯變小。這是由于階梯固化初始溫度低于80℃后，固化速度變慢，固化產(chǎn)物內(nèi)應(yīng)力較小，打磨時(shí)產(chǎn)生的微裂紋也少，在其上面制備的鋁膜厚度較均勻，使鋁橋電阻變小；同時(shí)，階梯固化的后續(xù)固化溫度高于80℃會(huì)使固化反應(yīng)進(jìn)行得更完全，涂膜硬度得以提高。

R3.3/ R1.7大于1.3中理論計(jì)算值1.5，說明在銅電路與鋁橋基搭接處存在缺陷，造成搭接電阻增大，下同。

2.4 基片打磨工藝對(duì)鋁橋電阻的影響

鋁橋的厚度僅為636 nm，濺射鋁橋基片的粗糙度對(duì)鋁橋電阻大小有較大的影響。基片上存在較大的凹陷或凸起的缺陷，會(huì)導(dǎo)致局部鋁橋變薄、甚至不連續(xù)，使電阻變大，尤其是基片上銅電路與鋁橋基搭接處，若存在缺陷，甚至電阻超量程，都會(huì)使電路不導(dǎo)通。基片不同打磨工藝對(duì)鋁橋電阻的影響如表3所示。

表3 基片打磨工藝對(duì)鋁橋電阻的影響Tab.3 Effect of substrate grinding process on aluminum bridge resistance

由表3可知：打磨工藝對(duì)鋁橋電阻有顯著的影響，打磨砂紙目數(shù)越大，電路板表面粗糙度越小，表面越光滑，在其上制備的鋁橋厚度越均勻，電阻越小。覆銅板刻制電路后表面粗糙度較大，直接涂膠時(shí)由于存在電路板表面吸附空氣、膠液黏度較大等原因，使膠液不易填充電路板表面的微小凹陷，造成部分缺陷在膠液固化、打磨后依然存在，使電路板表面粗糙度較高，鋁橋電阻較大。所以，采用1.25 μm砂紙打磨較宜。

2.5 E-39D與502質(zhì)量比的確定

E-39D與502質(zhì)量比越大，502用量越小，E-39D稀釋液黏度越大，越不利于電路板中銅電路端面和基板形成夾角處的填充，存在未被趕出的空氣，打磨后此處表面可能有氣孔存在，使濺射在其上面鋁橋的橋基與銅電路搭接處電阻增大，且E-39D稀釋液黏度較大，填充層厚，增加后續(xù)打磨工作量；反之，502用量增加，E-39D稀釋液黏度變小，有利于銅箔端面和基板形成夾角處的填充，但是稀釋劑用量越大，E-39D固化產(chǎn)物體積收縮比越大，內(nèi)應(yīng)力也越大，固化和打磨時(shí)易形成微小裂紋等缺陷，使濺射在其上面的鋁橋電阻增大。E-39D與502質(zhì)量比對(duì)鋁橋電阻的影響如表4所示。

表4 E-39D與502質(zhì)量比對(duì)鋁橋電阻的影響Tab.4 Effect of mass ratio of epoxy resin and diluting agent on aluminum bridge resistance

由表4可知，E-39D與502質(zhì)量比為100∶24時(shí)，鋁橋電阻相對(duì)最小，R1.7= 1.3 Ω、R3.3= 2.0 Ω、R3.3/ R1.7= 1.5，R3.3與 R1.7比 值 與1.3中理論計(jì)算值相同，但R3.3與 R1.7均是理論計(jì)算值的10倍，這主要是由于200 nm厚的鋁膜電阻率為4.68×10-8Ω·m，而20 nm厚的鋁膜電阻率增大為9.97×10-6Ω·m[3]，說明濺射鋁橋的基片電路板粗糙度仍然偏大，造成鋁橋存在厚度遠(yuǎn)小于636 nm的區(qū)域，甚至低于200 nm的區(qū)域。但已能滿足火工品對(duì)換能元電阻的要求。

3 結(jié)論

（1）填平膠的較佳配方為：E-39D與502的質(zhì)量配比為100∶24，異佛爾酮二胺與E-39D稀釋液的質(zhì)量配比為100∶17。

（2）電路板打磨較佳工藝為涂膠前后都用1.25 μm（約7 000目）砂紙進(jìn)行打磨。

（3）較佳固化工藝為階梯升溫固化前進(jìn)行室溫脫氣的固化工藝。

（4）在處理后電路板上濺射鋁橋的電阻，能夠滿足火工品對(duì)換能元電阻值的要求。