[技术资讯]PCB 制造流程及说明<四>
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A.单体及低分子量之树脂
典型PCB基板使用的传统树脂一般称为双功能的环气树脂( Difunctional Epoxy Resin),为了达到使用安全的目的,特于树脂的分子结构中加入溴原子,以产生部分碳溴结合物而实现阻燃效果。也就是说PCB基板在可燃烧的条件或环境中,它不容易被点燃,万一已点燃,在燃烧环境消失后,能自己熄灭而不再继续燃烧。这种难燃材料在NEMA规范中称为FR-4(不含溴的树脂在NEMA规范中称为 G-10),此种含溴环氧树脂做成的PCB基板优点有很多,如:介电常数很低、与铜箔的附着力很强、与玻璃纤维结合后之挠性强度很不错等。
B.架桥剂(硬化剂)
环氧树脂的架桥剂一向都是Dicey,它是一种隐性的(latent)催化剂,在高温160之下才发挥其架桥作用,常温中很稳定, 故多层板B-stage的胶片才不致无法储存,但Dicey的缺点却也不少,第一是吸水性 (Hygroscopicity),第二个缺点是难溶性,溶不掉自然难以在液态树脂中发挥作用,早期的PCB基板商并不了解下游电路板装配问题,那时的dicey磨的不是很细,其溶不掉的部份混在底材中,经长时间聚集的吸水后会发生针状的再结晶, 造成许多爆板的问题。当然现在的PCB基板制造商都已改善此问题。
C.速化剂
用以加速epoxy与dicey之间的架桥反应,最常用的有两种即 BDMA及2-MI。
D. Tg 玻璃态转化温度
高分子聚合物在温度上升过程中,物理性能将慢慢产生变化,在常温时的无定形或部分结晶的坚硬而脆性如玻璃一般的物质将转成一种黏滞度非常高,柔软如橡皮一般的另一种状态。传统FR4之Tg约在115-120之间,已被使用多年,但近年来由于电子产品各种性能要求愈来愈高,所以对PCB基板材料的特性也要求日趋严格。如抗湿性、抗化性、抗溶剂性、抗热性,尺寸安定性等都要求改进,以适应更广泛的用途, 而这些性能都与树脂的Tg值有关,Tg值提高之后上述各种性质也都自然变好,例如Tg 提高后, a.其耐热性增强,使PCB基板在X及Y方向的膨胀减少,使得线路板在受热后铜线路与PCB基材之间附着力不致减弱太多,使线路有较好的附着力。b.在Z方向的膨胀减小后,使得通孔孔壁受热后不易被底材所拉断。c. Tg 增高后,其树脂中架桥之密度必定提高很多使其有更好的抗水性及防溶剂性,PCB板受热后不易发生白点或织纹显露,而有更好的强度及介电性.至于尺寸的稳定性,由于目前自动插装或表面装配技术的发展,此项要求就更为重要了,因此近年来如何提高环氧树脂之Tg是PCB基板所追求的首项指标。
E. FR4 难燃性环氧树脂
传统的环氧树脂遇到高温着火后若无外在因素予以扑灭时,会一直燃烧下去,直到分子中的碳氢氧或氮燃烧完毕为止。若在其分子中以溴取代了氢的位置,使可燃的碳氢键化合物一部分转换成不可燃的碳溴键化合物则可以大大的降低其可燃性, 此种加溴树脂阻燃性自然增强很多,但却降低了树脂与铜皮以及玻璃间的黏着力,而且万一着火后更会放出剧毒的溴气,会带来的不良后果。
3.1.2.2 高性能环氧树脂(Multifunctional Epoxy)
传统的PCB使用的FR4材料已经难以满足目前高性能线路板的需求,故产生了各种用不同的树脂与原有的环氧树脂混合及产生的提升传统PCB基板性能的各种新材料:
A. Novolac
最早被引进的是酚醛树脂中的一种叫Novolac的物质,由Novolac与环氧氯丙烷所形成的酯类称为Epoxy Novolacs,将此种聚合物混入FR4的树脂中,可大大改善其抗水性、抗化性及外形尺寸稳定性, Tg也随之提高,缺点是酚醛树脂本身的硬度及脆性都很高,因而钻孔而造成的胶渣 (Smear)不易除去而影响多层板PTH制程。
B. Tetrafunctional Epoxy
另一种常被添加于FR4中的是所谓的"四功能的环氧树脂"(Tetrafunctional Epoxy Resin ).其与传统"双功能"环氧树脂不同之处是具立体空间架桥,Tg较高,能抗较差的热环境且抗溶剂性、抗化性、抗湿性及尺寸稳定性也好很多。而且不会发生像Novolac那样的缺点,最早是美国一家叫Polyclad的PCB基板厂所引进的。四功能比起Novolac来还有一种优点就是有更好的均匀混合,为保持多层板除胶渣的方便起见,此种四功能的PCB基板在钻孔后最好在烤箱中以160度烤2-4小时,使孔壁露出的树脂产生氧化作用,氧化后的树脂较容易被蚀除,而且也增加树脂进一步的架桥聚合,对后来的制程也有帮助,因为脆性的关系, 钻孔要特别注意。
上述两种添加树脂都无法溴化,故加入一般 FR4 中会降低其难燃性。
3.1.2.3 聚亚醯胺树脂 Polyimide(PI)
A.成份
主要由 Bismaleimide 及 Methylene Dianiline 反应而成的聚合物。
B.优点
电路板对温度的适应会愈来愈重要,某些特殊高温用途的PCB板,已非环氧树脂所能胜任,传统的FR4材料Tg约120左右,即使高功能的FR4也只达到180-190,比起聚亚醯胺的260还有一大段距离。PI在高温下所表现的良好性质,如良好的挠性铜箔抗撕强度抗化性介电性尺寸安定性皆远优于FR4,钻孔时不容易产生胶渣对内层与孔壁之接通性自然比FR4好,而且由于耐热性良好,其尺寸变化也很少,以X及Y方向的变化而言,对细线路更为有利,不致因膨胀太大而降低了与铜皮之间的附着力,就Z方向而言可大大的减少孔壁铜层断裂的机会。
C.缺点:
a.不易进行溴化反应,不易达到UL94 V-0的阻燃要求。
b.此种树脂本身层与层之间或与铜箔之间的黏着力较差,不如环氧树脂那么强,而且挠性也较差。
c.常温时却表现不佳有吸湿性(Hygroscopic),而黏着性延性又都很差。
d.其凡立水(Varnish,又称生胶水,液态树脂称之)中所使用的溶剂之沸点较高不易赶完,容易产生高温下分层的现象,而且流动性不好,压合不易填满死角。
e.目前价格仍然非常昂贵约为FR4的2-3倍,故只有军用板或Rigid- Flex板才使用。
2013-04-08 作者:Admin