叶致远

摘要： 研究了采用提高高分子材料交联密度和填充无机填料降低复合材料热膨胀系数的方法，开发出一种既经济又具有低Z轴膨胀的FR-4覆铜板。在玻璃化转化温度前Z轴热膨胀系数（Z-CTE）较常规FR-4产品下降35.7%，更接近于铜的热膨胀系数，降低了产品在PCB加工过程中热冲击带來的孔铜断裂风险，产品可靠性明显提高。

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.

关键词： FR-4；覆铜板；CTE

Key words： FR-4；CCL；CTE

中图分类号：TS803.6 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）06-0133-02

0 引言

随着电子信息技术的高速发展，电子电器产品越来越集成化、功能化，这就意味着PCB基板上元器件的装载密度越来越高；其次，随着无铅焊接技术的普及，PCB板的焊接温度提升了20～30℃，这也要求覆铜板在较高温度下具有低的热膨胀系数，才能保证金属化通孔的可靠性。为此，作为PCB基板原材料的覆铜板，则必须保证具有低的热膨胀系数（Low Z-CTE），即板材的耐热性要相对提高，热膨胀系数CTE要相对降低。

FR-4覆铜板是应用最为广泛的一类覆铜板，其构成成分主要有三大材料：铜箔、E型玻璃纤维布和环氧树脂。这三种材料的膨胀系数相差较大，其中环氧树脂的线膨胀系数是60×10-6/℃，铜的线膨胀系数是17×10-6/℃，玻璃纤维的线膨胀系数是5×10-8/℃。从数据可以看出，环氧树脂的线膨胀系数最大，其次是铜箔，玻璃纤维布的线膨胀系数最小，环氧树脂的线膨胀系数是玻璃纤维布的1200倍，铜箔的线膨胀系数是玻璃纤维布的340倍。

1 覆铜板热膨胀分析

图1、图2表示玻璃纤维布和FR-4覆铜板的一般结构。

FR-4覆铜板是数张平纹织布玻璃纤维布（见图1）浸渍环氧树脂胶后连续堆叠，并经热压而成；如果除去铜箔，FR-4覆铜板仅是玻璃纤维布和环氧树脂的复合材料；在板材的X、Y轴方向，由于玻璃纤维呈连续分布，其热膨胀率取决于玻璃纤维布，故此方向的热膨胀率较小；但在板材的Z轴方向（图2厚度剖面），是依靠环氧树脂将数张玻璃纤维布粘结在一起，所以，此方向的膨胀率远大于X、Y轴方向。

图3中，覆铜板在后续的PCB加工过程中，在Z轴方向要进行钻孔和孔金属化加工（通孔电镀铜），使两面焊盘通过孔内铜相互连接，达到线路互连的目的。

经过孔金属化加工的PCB板，还要经过热风整平和回流焊或波峰焊，其温度高达230 ～ 270℃。在高温下，覆铜板基材沿Z轴方向明显产生热膨胀，如果超过孔内铜的膨胀率，将会导致孔内铜被拉断，造成PCB板失效。（当然，在X、Y轴方向，虽然有连续玻纤增强，膨胀率明显小于Z轴方向，但如果长时间受热，也会产生明显涨缩现象，严重时会导致对位不准）

2 减小Z轴热膨胀率的思路和方法

从FR-4覆铜板三大原材料分析，减小Z轴膨胀率：

铜箔：虽然铜箔的线膨胀系数较玻璃纤维布大，但其在PCB板厚度中所占比例很小，所以它的膨胀占PCB板的总量较小，而且PCB板Z轴方向沉铜孔端与铜箔面联接，表面层铜箔膨胀不会对沉铜孔产生破坏性拉升，因此铜箔的膨胀几乎可以忽略。

玻璃纤维布：采用低膨胀系数的玻璃纤维，经过对玻璃纤维经纬纱密度、纱线结构等进行调整、改进，以减少覆铜板的CTE；也有的厂家采用双股经纱、双股纬纱，减少玻纤布面孔隙率，提高玻纤纤维体积填充率，来降低板材的CTE；还有些是采用芳酰胺型混织布的方式达到低CTE的目的。

树脂：从树脂体系入手，采用双官能团环氧树脂与多官能团环氧树脂混用，提高环氧树脂固化体系交联密度的方法，板材的玻璃化温度Tg提高的同时，板材CTE相对应的会减小；还有采用耐热级别更高的树脂来降低板材CTE。

但无论是特殊玻璃布还是高性能环氧树指，价格都相对较高，如果在普通消费类电子产品中使用这款FR-4覆铜板，它的价格客户难以接受。因此，有必要开发低成本，CTE又适应于普通电子产品需求的覆铜板。

首先，我们从提高板材中玻璃纤维的含量着手，但是，实验结果表明，板材中玻璃纤维含量过大，环氧树脂比例就必然降低，最终影响了玻璃布间的结合力，甚至影响覆铜板的电气绝缘性能。

因而，要降低覆铜板的热膨胀系数，我们转向从覆铜板主体树脂的研究着手，以价格相对较低的酚醛树脂作为固化剂，形成一个耐热性相对较好的固化结构，并加入线膨胀系数较小的无机填料（例如二氧化硅，膨胀系数是 14×10-6/℃）；在胶液的配置工艺上采用高速剪切搅拌装置，提高了无机填料在环氧树脂中的分散均匀，应用了偶联剂界面处理技术，使无机填料充分地与树脂结合，从而使树脂体系达到高分散、高粘接作用。

3 实验部分

3.1 主要原材料

3.2 制作步骤

将酚醛树脂、固化剂与有机溶剂配制成溶液，依次加入环氧树脂、无机填料，最后加入固化促进剂，混合乳化分散6-10小时，制成树脂组合物。①将配制好的树脂组合物涂覆在7628电子级玻璃纤维布上，在150-170℃烤箱中烘烤3-5分钟，制成玻璃布半固化片；②取8张制作好的玻璃布半固化片堆叠在一起，然后在最外面的玻璃布半固化片上各贴敷一张电解铜箔；③将上述配好的坯料送入真空热压机中，在60-210℃温度、6-80kgf/cm2压力和10mmHg真空度下热压2-3小时，经过冷却后即制成FR-4覆铜板。

3.3 主要检测项目及检测仪器

4 板材测试结果

5 结束语

采用结构中含有多羟基的NOVOLAC酚醛树脂环氧树脂固化剂，提高环氧树脂固化交联密度；采用二氧化硅无机填料，降低高分子材料交联固化后的热膨胀系数，开发出一种既经济又具有较低Z轴热膨胀的耐热性覆铜板，其在玻璃转化温度前的热膨胀系数较常规FR-4下降35.7%，更接近于铜的热膨胀系数，降低了产品在PCB加工过程中热冲击带来的孔铜断裂风险，产品可靠性明显提高。

参考文献：

[1]辜信实.印制电路用覆铜箔层压板[M].化学工业出版社，2013.

[2]师剑英.高耐热、低膨胀系数覆铜板开发思路[J].覆铜板资讯，2008（01）：18-44.

[3]曾宪平.新一代高耐热高模量低CTE覆铜箔层压板材料[J].覆铜板资讯，2008（06）：26-31.

[4]George Wypych编著.程斌，于运花，黄玉强，译.填料手册[M].二版.中国石化出版社，2003.