印刷电路板用塑料材料的选择

作者：深圳市塑胶行业协会秘书长 王文广    来源：国际塑料商情

欢迎访问e展厅 展厅 13 PCB/其它元器件展厅 PCB线路板, IGBT模块, PIM功率模块, 可控硅模块, 红外线接收头, ... 印刷电路板为先将覆铜板表面的铜层用三氯化铁或双氧水+盐酸腐蚀形成各类电路，再将需要的电子元件和器件安装在覆铜版上即成，英文简称PCB（Printed Circuit Board），它为覆铜板的后续产品。PCB不仅能机械地固定小型化的电子元件，还可以布设电气连接导线的图形和印知元件，标志元件的代号。 覆铜板为印刷线路板的前一道产品，英文简称CCL。最简单的覆铜板结构为绝缘基材层和导电覆铜层，称为单面覆铜板；如果绝缘基材层的两面都有覆铜层，称为双面覆铜板；如果一片覆铜板中含有多个基材层和覆铜层，称为多面覆铜板。 印刷线路板可分为如下三类： 金属箔绝缘基板型印刷线路板 — 在硬质塑料基板上，覆上厚度为0.05mm的铜箔；在铜箔表面镀铅锡合金或银，以提高耐焊性能；在插头部分镀金，以提高耐磨性和导电性能。铜选用电解铜，导电性好，可制造导线和印制元件。 挠性印刷线路 — 将金属铜箔粘到塑料薄膜表面上或夹在两层塑料薄膜之间构成，所用薄膜首选PET膜，其次为PP、F4和PI等薄膜。此类印刷线路板优点为柔软可变形。 厚膜印刷线路板 — 在陶瓷基材上浇渗一层导低电层后制成。 随着电子产品向小型化、多功能化、高性能化和高可靠性方向迅速发展，国内外多层印刷电路板正朝着高精度、高密度、高性能、微孔化、薄型化和多层化方向改变。在高密度化方面，线路间距已狭至0.4mm以下的印刷线路板；在多层化方面，已开发出多达7层的印刷线路板。制造多层印刷电路板是以内芯薄型覆铜板为底基，将它制成导电图形电路，并与半固化片交替叠合，经一次性层压粘合在一起，形成三层以上的图形电路层之间的互连。 随着电子产品向小型化、多功能化、高性能化和高可靠性方向迅速发展，国内外多层印刷电路板正朝着高精度、高密度、高性能、微孔化、薄型化和多层化方向改变。 性能要求 印刷线路板的基材起到导轨、绝缘和支撑三个方面的作用，现代印刷线路板的基材都为高分子材料，其表面覆一层铜薄板。对印刷线路板基材的要求如下： ● 电绝缘性要好； ● 介电性能要好，介电常数要小，且随频率和温度的升高提高幅度小； ● 弯曲强度高，以防止弯曲变形； ● 耐热温度要高，一般热变形温度要在120℃以上； ● 热膨胀系数小，以防止收缩或膨胀太大而破坏电路； ● 防火阻燃性好，以防止短路引发火灾； ● 焊接性好，可在板上焊接各类电子元器件，并保证不起层、不起泡和脱开； ● 耐腐蚀性好，以保证腐蚀液在腐蚀铜层后，对基材无影响； ● 具有高的耐湿性，保证在潮湿的环境中可使用； ● 结合强度高，基材和铜箔的剥离强度一般应在12N/cm以上； ● 可电镀性，以利于表面修饰； ● 尺寸稳定性，保证不同环境中的尺寸精度； ● 要达到相关的环境保护要求。 早期覆铜板的基材由纸、布、玻璃纤维织物等增强材料与热固型高分子材料复合而成，近年来开发出热塑型高分子材料直接制成。铜箔材料可分为压延铜箔和电解铜箔两大类。压延铜箔由于其耐折性和弹性系数大于电解铜箔，多用于挠性覆铜板，而在刚性覆铜板上的应用极少；电解铜箔常用于刚性电解铜箔，主要厚度有9mm、12mm、18mm、35mm、70mm等。 具体品种 已开发可用于覆铜板的种类有：纸基PF层压板、纸基EP层压板、玻璃布基EP层压板、有机硅玻璃布层压板、氨基塑料层压板、聚四氟乙烯（F4）、改性聚苯醚（MPPO）、聚酰亚胺（PI）、双马来酰亚胺（BMI）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚醚砜（PES）、液晶聚合物（LCP）、聚醚醚酮等（PEEK）、新型环氧树脂及氰酸酯树脂（CE）等，下面分别予以介绍： 纸基PF层压板 — 此类基材易吸潮、耐热差，但价格低，主要用于制造消费类电子产品的印刷电路板，具体如收音机和电视机等。 纸基PF层压板由漂白木浆纸、酚醛树脂浸渍剂组成。漂白木浆纸以阔叶浆为主，也少量选用漂白棉纤维；酚醛树脂选用桐油改性酚醛树脂。 纸基EP层压板 — 此类基材耐潮湿和耐高温，但价格偏高，主要用于高档消费类电器中，具体如仪器仪表、小型计算机和彩色电视机中。 纸基EP层压板由漂白木浆纸、环氧树脂浸渍剂组成，环氧树脂选用双酚A型环氧树脂。 玻璃布基EP层压板 — 此类基材具有力学性能好、介电性能高、吸水性小、透明性好、耐热好、耐腐蚀等优点，但价格高，用于高档印刷线路板如高档电器、计算机和工业电子设备中。 玻璃布基EP层压板以环氧树脂为粘合剂，以电子级玻璃纤维布为增强材料。环氧树脂选用双酚A型环氧树脂，其配成浸渍剂的配方见表1所示。玻璃纤维为E型，又称为电子级玻璃纤维布。 几种普通印刷线路板的具体性能见表2所示。 几种耐热印刷线路板的具体性能见表3所示。 聚酰亚胺（PI）玻璃布层压板 — 可用于制造耐高温、抗辐射、尺寸稳定性高、介电常数小的高性能印刷电路板，主要用于多层印刷电路板，如工业计算机双层挠性板的生产。广泛用于航空航天、军工产品、大型计算机及大型通讯设备中。 改性聚苯醚玻璃布层压板 — 此基材板在超高频率下，具有低介电常数、低介电损耗、相对密度小、刚性好等优点，广泛用于制造微波印刷电路板。 芳酰胺纤维无纺布层压板 — 常用环氧树脂为粘合剂，优点为强度高、相对密度低、线膨胀系数低、介电常数低，可用CO2激光钻孔。 聚四氟乙烯（F4）板 — 介电损耗低，价格高，用之于高频电路如微波印刷电路的制造。 饱和聚酯板 — 可用于汽车、电话、打印机等单层挠性板的生产。 积层多层印刷电路板（BUM） — 这是20世纪90年代开发出一类新型高密度互联的多层PCB，并以惊人的速度发展，它是印刷电路中高科技前沿产品，也是推动PCB进步的主流产品。目前BUM主要用于光致成孔的感光性绝缘材料、激光成孔的热固性绝缘材料、激光成孔的热固性树脂材料（液状或干膜）和涂覆树脂铜箔材料及凸凹压穿、填充导电胶方式作为层间导通的半固化片材料。 BUM以多层板为内芯，表面由绝缘层、导体层和层间连接的通孔所组成的一层电路，采用层层叠积的方式制成的多层板。BUM的制造由三个方面技术组成：绝缘层的绝缘材料及形成技术、通孔加工技术和层间电气互连技术，并以微细通孔加工技术为核心。微细通孔的加工有两类方式：一类为光致成孔，二类为激光、等离子成孔；对感光性绝缘材料用光致成孔，而对非感光性绝缘材料用激光、等离子成孔。BUM可以制成微细（直径100mm以下）的通孔和高密度的布线（在2.5mm的孔间距内走5条以上导线），含有盲、埋通孔结构，能够满足高密度互联的发展需用。 BUM用基材主要为EP，其它还用BT、PPO和PI等。 树脂选材 早期印刷线路板主要采用含溴阻燃环氧树脂和酚醛树脂为基材的高分子材料，复合材料为纸、布或玻璃纤维，采用浸渍片材经层压方法成型。这类覆铜板的介电常数大、使用温度低、热膨胀系数大，但因价格低，在低端场合仍有市场。近年来，浸渍液体树脂又发展了不饱和聚酯、聚酰亚胺和聚四氟乙烯乳液等，使覆铜板的性能有所改善。 近年来，覆铜板的发展趋势为采用热塑性树脂，用注塑成型的方法快速成型。优点为易于三元立体声基盘生产、可以将多个部件一体化生产、可实现大批量生产。 各国对PCB的选材侧重点也不同，美国和西欧75%选用溴化环氧树脂为基材，酮做溶剂，固体为四溴双酚A与环氧树脂的混合物，起到阻燃作用。 各类覆铜板基材用高分子材料介绍如下： 环氧树脂（EP） EP具有机械性能优、燃性、耐化学腐蚀、电绝缘性好、吸水率低、尺寸稳定、无挥发物、收缩率低、粘接强度高、综合性能优异、价格低、易改性、易加工等优点，因而广泛用于PCB的基材，其中应用量最大的为FR-;4型覆铜板基材。传统的FR-4覆铜板虽然存在耐热性不好、玻璃化温度偏低（130℃）、耐湿性不好、介电损耗高、线胀系数偏高、阻燃性差等缺点，但由于其综合性能好、工艺成熟，目前仍大量应用，并在此基础上对EP进行各种改性，以提高其性能。 用含萘酚环的EP和四溴双酚A进行扩链反应制成含溴萘酚型EP，以二氨基二苯砜为固化剂，制成覆铜板的玻璃化温度为190~200℃。 用新型多官能团EP制成的覆铜板，玻璃化温度达到170℃。 在EP分子中引入氮或稠环结构，研制成功无卤化覆铜板，具有高耐热性、耐水性、耐腐蚀性和阻燃性。 在EP中加入含基团的聚合物，可明显改善其介电性能。 用PPO改性EP制成的覆铜板，介电常数低，可在高频条件下使用，玻璃化温度大幅提高到180~200℃。 用CE和顺丁烯二酸酐改性的EP，对金属有良好的粘接性，耐热性、耐水性、剥离强度和耐化学腐蚀性良好，其玻璃化温度为220℃，剥离强度为14Ncm，介电损耗（1MHz）为0.0048，介电常数（1MHz）为3.53，阻燃性能达到UL-94 V-0级，可在高频条件下使用。 阻燃剂趋势为采用无卤体系，常用磷系阻燃剂。日本住友公司用添加型的三苯基膦氧化物（TPO）为阻燃剂，制成了无卤阻燃型环保覆铜板。 开发新型无胺固化剂研究，开发出含P、Si、B、F、Mg等元素组成的半无机高分子固化剂。如用线性酚醛树脂为固化剂制成的覆铜板，具有优异的介电性能，其介电损耗为0.014，介电常数为3.02；此外，还具有优良的耐热性、耐化学药品性和耐水性等。其它固化剂还有磷化聚酰胺、改性硫醇系等，最近还研制成功含有磷酸酯结构的酚醛树脂为环保无卤固化剂。 例如用普通环氧树脂用双氰胺固化，加入N/P型三聚氰胺磷酸盐阻燃剂，制成无卤CCL。具体配方为： E-51环氧树脂 100 三聚氰胺磷酸盐（阻燃剂） 20 双氰胺（固化剂） 3 2-甲基咪唑（固化促进剂） 0.04 近年来，覆铜板的发展趋势为采用热塑性树脂，用注塑成型的方法快速成型。优点为易于三元立体声基盘生产、可以将多个部件一体化生产、可实现大批量生产。 双马来酰亚胺（BMI） 这是由PI派生出来的BMI树脂体系，日本于80年代用于生产覆铜板。 我国于1990年由陕西国营704厂研究所生产出达到美标的TB-73覆铜板。开发出用溴化EP改性的双马来酰亚胺基二苯甲烷/二氨基二苯甲烷体系制造的阻燃性覆铜板，用改性BMI生产的电气性能优异并可在190℃下长期使用的覆铜板，用四烯丙基二苯甲烷二胺/BMI制成电性能和力学性能优异的耐高温绝缘覆铜板，用马来酰亚胺/苯乙烯树脂制造的阻燃性覆铜板。 氰酸酯树脂（CE） CE是继BMI后出现的又一类高性能热固性树脂基材，它具有优异的介电性能、耐热性能、综合力学性能和极低的吸水率等。主要应用于高性能PCB基材、透波材料、隐身材料、航空航天承力结构材料等。 CE可生产高性能PCB，为此HI-TEK聚合物公司和陶氏公司分别于1984年和1986年开发出专用料。目前高性能PCB中应用最多的CE为双酚A型，具体品种有Norplexloak的E245、Hi-Tek公司的Arocy-B40S、Dow化学公司的Xu71787等，主要用于生产极低介电损耗，特别适合于高频条件下使用的PCB。 国内CE覆铜板还处于开发阶段，目前无工业化生产。 CE不仅可单独应用，还可用于改性EP，使之可用于高频条件下。 近来还开发出用BMI改性的双酚A型CE制成的BT树脂，用于高档覆铜板的生产。 聚苯醚（PPO） PPO的力学性能高、尺寸稳定性、耐热性、耐热湿性和耐酸、碱、盐等，吸水率仅为0.05%；介电性能好，介电损耗为0.0007，介电常数为2.45，并且受温度、频率和湿度的影响小；自熄性好，加入少量阻燃剂就可达到UL94-V-0级。 PPO适合于高频场合应用的覆铜板，1994年在日本和美国实现工业化生产，产品如日本旭化成工业公司的S2100型覆铜板。我国的北京化工研究院、广东东莞生益覆铜板公司、陕西国营704工厂等在PPO覆铜板生产上都有进展。 聚酰亚胺（PI） PI是一类分子主链上含有酰亚胺环的高分子材料，在-200~400℃温度范围内具有优异的力学、介电、耐辐射、耐腐蚀、耐烧蚀等性能。PI的线胀系数与铜接近，与铜箔复合的粘接力强，可生产无粘合剂型PI覆铜板，通常被用于挠性印刷电路板（FPC）的生产。PI挠性印刷电路板的基本结构为以PI绝缘膜为基材料，在薄膜的一面或两面覆以铜箔，经溶液腐蚀后制成挠性印刷电路板，日本的新日铁公司于1990年开发成功。这种具有优良的耐热性、阻燃性、耐溶剂性、力学性能和电学性能的挠性印刷电路板，极大地促进了电子信息设备向轻、薄、短、小型化和多功能化方向发展。 尽管PI在挠性印刷电路板上的应用已很多，但因存在毒性、成型条件苛刻、成型温度高等不足，使之在覆铜板基材上的整体应用量不多。 CE是继BMI后出现的又一类高性能热固性树脂基材，它具有优异的介电性能、耐热性能、综合力学性能和极低的吸水率等。主要应用于高性能PCB基材、透波材料、隐身材料、航空航天承力结构材料等。 聚四氟乙烯（PTFE） PTFE的链结构为键能非常高的C-F键，因此具有高的耐稳定性、极高的耐腐蚀性和优异的介电性能。介电性能体现在它的电绝缘性高，受频率和温度的影响很小，在很宽的频率和温度范围内介电参数保持不变，介电损耗为0.0001，介电常数为1.8~2.2，电弧发生后无导电剩余物存在，表面电阻率不降低，耐挠性好。耐热性体现在可在200℃温度下长期工作，可在310℃温度下短期工作，耐低温性好。耐腐蚀性体现在耐各类酸、碱、盐、有机溶剂，此外具有自熄性和低摩擦系数。PTFE的不足为线胀系数与铜相差太远，制成的印刷电路板尺寸收缩大，软质和力学性能差也限制了其应用。 PTFE可制成优良的微波电路基板，如铝基PTFE覆铜板就是一种新型的雷达用微波电路基板。 其它新型覆铜板基材还有： 低介电常数、高熔点的PEEK，常用于制造低介电常数覆铜板。 苯丙环丁烯的介电常数更低，适合高频场合应用。 COPNA树脂，制成的覆铜板玻璃化温度达到255℃，介电常数3.1，吸水率仅为0.37%，比EP和PPO覆铜板的可靠性更高。(end)

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