基于PTFE的PCB的多层层压方法.doc

基于PTFE的PCB的多层层压方法?SpecialPCB.基于PTFE的PCB的多层层压方法丁志廉编译摘要介绍了采用不同材料类型的粘结膜,半固化片,所需设备和粘结材料,用于生产低到高层数的PTFE多层板的情况关键词聚四氟乙烯粘结材料层压工艺熔融粘接粘接膜复合半固化片MultilayerLaminationMethodsforPTFE.basedPCBsDingZhilianAbstractThisarticledescribesthedifferenttypesofapplications,bondingfilms,equipmentneeds,andbondingmethodsusedtoproducelow-countandhighcountPTFEmultiplayerboards.KeywordsPTFEbondingmaterialslaminationprocessfusionbondingbondingfilmhybridprepreg随着射频(I)和数字设计的应用领域不断的扩展,具有PTFE的微波层压板的要求也迅速增加了.较高的频率和数字传输速率要求材料具有很低的介电损失(耗),均匀的介电常数和严格的厚度尺寸公差.PTFE层压板材料具有所有这些特性和在很多应用下的优越性能印制板的设计者仍然不断地寻找在这些应用中能够节省重量和空间的方法.为了节省重量和空间等,设计者开始移向更高层数的设计从历史上看,PTFE多层板的高层数的增加受到了PCB工厂对PTFE高层板的层压能力的限制.制造PTFE多层板有四种方法:一是一次层压所有PTFE材料的层压板:二是一次层压复(混)合介质材料的层压板;三是顺序层压所有PTFE材料的层压板;四是顺序层压复(混)合介质材料的层压板.最典型的RF应用的多层板是采用PCB的层压技术把PTFE层压板(CCL)和粘结膜或熔化粘结在一起而形成的一种三层RF板.用这种类型生产的PTFE板已经有好多年了.但是这种生产方法不能用于中,高批量的生产.最近十年来开发了另外一种类型的板,即复(混)合的PTFE的多层板,即高频电路形成在PTFE层压板上并粘结到环氧层压板上面,而环氧层压板形成的电路是用来传输较低频率和数字信号的.这种类型的多层板的优点是它节省了空间并采用了大多数PCB工厂用的常规环氧树脂半同化片的粘接能力来达到要求的.现在设计者和制造者可以利用PTFE层压板和其它类型的层压板结合起来,通过多次层压或者顺序层压等方法来生产具有四层或更多层数的复合多层板的要求.顺序层压方法是相对简单的,并多年用于热固型的环氧树脂基的层压板上.典型的顺序层压方法是采用几层电路粘接在一起,然后钻孔和电镀等.即采用热固化环氧树脂板,进行粘接,钻孔和电镀,这些程序可以多次反复进行直到PCB板的完成为止.由于顺序的层压困难,直到现在,PTFE的多层PrintedCircuitInformation印制电路信息2006No.;.;寺中钊;特种印制警;SpecialPCB板的设计仍然受限于低层数上.事实上,困难是在用于与热塑性的PTFE层压板相粘接的粘接(结)膜上,因为在粘接膜的熔化点以上的任何的热偏差(另次层压循环时)通常会发生分层.某些设计者采用两步顺序粘接方法,即第一步是采用较高的熔化点的粘接膜来进行层压,然后再(第二步)采用较低的熔化点的粘接膜进行层压.但是,对于三次或更多次的顺序粘接循环时还是有问题的,所以用于顺序层压粘接的最好的方法是采用热固性粘接层或熔化粘接(结).熔化粘接是一种高温PTFE树脂体系的层压板材料,层压的温度接近371(700下),它超过了大多数层压机的能力范围.但是对于粘结PTFE层压板确实足非常有效的.在某些情况下,PTFE的薄膜切片后用于粘结是有利于充填内部线路的.1主要设备和辅助材料为了层压多层印制电路板(PCBs)必要的设备(施)包括:层压机,压力缓冲垫(presspadding),隔离板,载板(大家熟知的称为模版或定位模版)等.其它外围方面的设备,例如装/卸载装置,隔离板的清洁线等,在本文中不于论述.1.1层压机层压机的作用是提供热能和压力,并通过机械作用使材料(内层片,粘接片等)粘(压)合在一起.目前所用的层压机有三种类型:大多数的层乐机是采用通过液压的圆柱而加压到压力平板卜,平板用蒸汽,或热油,或电热元件来加热;第二种层压机是真空压机,它与上述的压机相同的,但层压部分足由真空箱包围起来,从而在层压过程的周期内可以除去空气和挥发物.这两种层压机的改进型是加上转移的冷却压机.它是当粘接(结)的层压多层板被冷却到粘接膜或粘接层的熔化点(温度)以下时而转移到冷却压机以进一步冷却用的.层压板被转移到冷却压机的压力下进一步完成反应.水通过转移冷却压机的平板并使层压板冷却到室温.采用转移冷却压机町具有更高的生产率.第种层压机的类型,实际上是没有压机的,称为高压釜(autoclave).它是把层压板装入真空箱体内并抽真空后,再利用气体来施压和加热使内层和粘接片粘结在一起的.这种高压釜很少用于PCB工业中,但是采用这种高压釜在粘接应用上比起常规压机是有其优点的,其施加的压力和温度是均匀的.主要;.PrintedCircuitlnformation印制电路信息2006No.3问题是生产率较低,成本较高.由液压和真空组成的层压机可以采用多种加热的方法.蒸汽加热已经用于目前层压的加工中,采用热油加热要求有一个锅炉来加热油,然后泵送到加热板.热油加热比起电加热具有更好的热均匀性分布,但是加热到晟高温度和冷却到室温的时间要更长.正因为热均匀性分布这个理由,热油层压机能提供更均匀的粘接而被优先考虑与选用.电加热的层压机的维护是很简单的,因为组成压机体系不需要热油压机需要的锅炉,采和管道等.层压机的特性取决于所粘接的多层板的材料与大小.用于粘接环氧树脂系层压板或多层板的压机通常是采用真空的方法和晟大温度限制在204(400下)以下.这个温度不够高,因此是不能用于CTFE(chlorotrit1uoroethylene,三氟氯乙烯)和FEP(fluorinatedethylenepropylene,氟化乙炳烯)粘接膜来进行粘接的,这些粘接膜通常是用来粘接PTFE层压板的,但远不能达到熔融粘接PTFE材料的.为了更好粘接PTFE,采用热塑性粘接膜或熔融粘接方法,则压机应达到足够高的温度才行.粘接膜的结晶熔化温度是稍低的,而熔融粘接膜的熔融温度是很高的.层压板或多层板的大小进行层压时是由压机的压力能力或大小来确定的,大多数的PCBT厂层压的最大层压板的尺寸为457mm610mm(1824).CTFE或FEP粘接膜进行粘接时的压力为7巴到14巴(1巴=1.02kg/cm)或100磅到200磅.熔融粘接可以像热同的半固化片那样加压剑2l巴至34巴(300磅至500磅)的压力,对于有埋入导通孔(大多数存在)的层压板来说,更精心的工作是采用较低的压力,比如7巴(100磅)的压力.用于PCB工厂中的大多数层压机是可以转移或改造成高温的熔融粘接用的,但是转移或改造成用于熔融粘接所需较高的压力是不可能的或不实际的.采取降低PCB尺寸是有效增加单位面积上的压力的方法,但是,高的压力会对(压)模板引起压痕而损害,除非采用较大的层压板,它们是可以通过打磨的.多层的粘接也是要求有载板,隔离板和压力缓冲垫的.载(压模)板是厚度为6.35mm到1.27mm(0.25O.50)的钢板,它是用来多层堆叠并放置于压机内而进行层压的,如图1所示.SpecialPCB:表l所示.一般来说,热塑性粘接薄膜具有较低的介电损耗(1osstangent)和介电常数.但是,当在它们的结晶熔化点(crystallinemeltpoint)以上反复加热时,可能会导致叠装层分层问题,因此不适用于顺序层压工艺或高温条件下应用而热固性半同化片很熊璺丝翌丝:压机的温度要求cTFE臌,.一.-嗲麟珏.直接熔融218(425下)274(525下)382(720下)PrintedCircuitInformation印制电路信息200aNo.一5一特种印制板;.一一;:一;?-?SpecialPCB?-?-?-?-?-?-?-?特性,而采用常规的高损耗的环氧树脂基的半固化片将失去了应用PTFE的目的.尽管熔融的薄膜在介电常数方面对于层压板的精确匹配来说不是很有效的,但是它们是以不同程度的负值而影响着,因而PCB板的设计者可以进行不同的的设计.2.3热固性半固化片热固的半固化片的优点是在固化以后能够适应顺序层压的板的工业生产能力.正如上面所述那样,热固的半固化片的缺点是相对高的的介电损耗理想的半固化片应具有低的介电损耗和满足多次层压而不会分层的能力.用于顺序层压和低介电损耗的PTFE基的两种热固的半固化片产品已经开发出来了,W.L.Gore开发的Speedboard.C是一种用于与PTFE粘接一起的低介电损耗的热固的半固化片材料.SpeedboardC是在PTFE展开形成气阱(airpockets)以后由热固的环氧树脂充填的而铺展开的PTFE薄膜.SpeedboardC提供了一种比常规环氧树脂半固化低的介电损耗因子,而其热固的特性又能够满足PTFE的多层板的顺序层压工艺的要求.SpeedboardC比起其它的半固化片和粘接膜要昂贵得多.Taconic开发出Tacpreg.产品,它是一种低介电损耗的半固化片而用于RF和数字传输应用的领域中像SpeedboardC一样,它也是把热固的树脂涂覆于PTFE的表面上形成的半固化片.而Tacpreg是非常有效的,它具有3.2的介电常数.把BT,环氧树脂涂覆于PTFE的表面上形成的半固化片能够满足多次,顺序的层压,这种层压的温度和压力在大多数的PCB工厂中都是能够达到的.Tacpreg半固化片比起用于粘接PTFE多层板的常规粘接片相对是不昂贵的,而比起SpeedboardC半固化片是很便宜了.3各种层压工艺3.1层压工艺成功的层压工艺来自于合适材料的选择.正如前面所述的那样,几种的粘接膜和半固化片是易于与PTFE芯片(板)粘接在一起的并且是有效的.对于要达到好的粘接强度来说,内层的制造是要很严格的.具有双面铜箔的内层芯片(板)应是定序(位)的,即使仅有一面要求铜箔的内芯片也必须这样做.其理由是:如果芯片有好的表面结构,则在温度和压力下,粘接膜或半固化片树脂可流入这些结构形成好的机械粘接.这是指采用层压之前内层芯片的铜箔表;.PrintedCircuitInformation印制电路信息2006,.了面而制备的表面结构.必须注意的是在PTFE的层压板上,由于铜箔进行蚀刻会形成树枝晶状和留下很小的凹槽,如果没有很好地清洁的话,接下来的加工和处理的过程中,如在进行粘接的树脂流动时,PTFE的这些结构表面会阻碍或干扰粘接,从而导致差的粘接强度和产生分层.当进行清洁时,建议仅采用化学方法进行清洁处理.堆叠体高度和缓冲垫的数量等的层压叠装,起始层压温度和层压机的热输入(加热)能力等都会影响和改变升温速度.但是,对于采用热塑性粘接膜或熔融(化)粘接方法的叠装层压的要求,其加热的升温速率是不严格的.对于采用具有热固性树脂的TacPreg或其它的半固化片的叠装来说,其加热的上升温度的速率的要求却是严格的,而且建议制造者应该按下面内容进行严格控制.即在层压机的每个开口的粘接叠装的数量与厚度,甚至每个叠装的加热的速度等应是相同的.所采用的缓冲垫的类型与数量也应该是相同与均匀一致的,否则会影响热传导的数量或温度的差别.为了达到严格的升温的速度,进行每个加热开口放入层压板的数量和缓冲垫的多少等的试验是必要的.在层压工艺中,另一个重要因素是起始加压温度.一般来说,采用热塑性粘接膜或熔融粘接的层压叠装,其起始加压温度处于环境(室内)温度以上都可以获得成功的.而对于某些热固性半固化片来说,为了避免熔融树脂在固化以后加压,因此起始加压温度应在固化以前保持有一个最低的加压温度,加压温度的选择可以资询制造商的层压程序规定.在所有层压工艺中,测温热偶的设置位置也是重要的,为了监视加热升温速度,保持温度时间,冷却温度等,热偶应放置于压机的中间开口的中间层压板处,热偶的测温可提供压机内层压板的加热或温度的分布情况,以便于研究,调整压机加温程序和措施.加热平板温度是不能准确反映层压板温度的.对于高容量(高生产率)的层压来说.要采用均匀一致(相同)的叠装高度,缓冲垫,层压板厚度和同化温度等,层压板的热偶温度数据和加热平板的热偶温度数据可互相修(校)正,而加热平板的热偶指示温度可以用于控制上升温度速度,高温保持时间和冷却温度速度.粘接PTFE层压板或其它类型层压板有各种各样的方法.如何选择粘接的方法取决于PCB设计的复杂性的程度,具有埋/盲孔结构的高层次的层压是一种?.-SpecialPCB?方法,而简单的三层锡镀的板(threelayertinplatedboard)却是另一种方法,即不同于采用热风焊料整平完成的三层板方法.在选择粘接方法中,印制板工厂内的设计者和工艺工程师们必须了解PCB工厂的加工能力,PCB的复杂性和最后完工的产品要求.3.2熔融粘接的PTFE层压板(1)熔融粘接的PTFE层压方法.熔融粘接的PTFE层压板是指不采用半固化片或粘接膜而把PTFE进行层压在一起的方法.PTFE的树脂要在2O巴(300磅)的压力下加热U371(7o0下),并使PTFE树脂熔化粘接而层压在一起的.它不同于粘接膜的层压方法是在层压时,粘接膜树脂熔入(流动)PTFE表面铜箔蚀刻后留下的表面结构,因此所产生的机械粘接力比化学粘接力大熔融粘接层压的主要优点是具有顺序层压和叠装的层压板在超过260(550下)以上的顺序层压过程中不会发生分层问题.熔融粘接层压方法的主要缺点是进行层压的压机的温度需要超过371(700下)高温的能力.正是这个原因,只有很少数的PCB工厂才具各这个能力,但是目前其数量已经正在增加了.当采用熔融粘接时,为了保证铜导线蔟完全被树脂填满,建议采用较轻(薄),如1/2盎司的内层铜箔.很多的顺序层压板的设计要求有埋导通孔的结构,由于电镀的孔壁铜厚度原因会增加板面铜厚度,在这种情况下,建议采用PTFE的薄膜切片以辅助充填铜导线蔟之间的完整性.以薄膜形式的PTFE切片是简单的热压PTFE树脂,这种切片(以薄膜进行切割成的)是以大方坯的PTFE薄片.切片的PTFE在其PCB的厚度和大小的宽广范围内的应用是非常有效的.(2)熔融粘接PTFE的层压.内层蚀刻应仔细的进行,保证在蚀刻以后不能影响PTFE的表面,尽管这个表面结构与其它的粘接方法不是很严格的,但是机械的擦刷可使内层尺寸伸长而产生层之间不对位问题.如果接着的铜表面的清洁是必须进行的话,应采用化学工艺进行清洁处理.为了除去内层表面的湿气,内层应在1O5(220下)下烘烤3O分钟.PTFE的表面不需要特别的预处理,仔细分配粘接叠装和设置测温热偶在压机的中间开口的层压板中间的粘接处.放置粘接叠装体于热或冷的压机中,采用最大压力为2O巴至34巴(300磅至500磅)和保持压机的满负荷的生产率的周期,监视叠装内的温度,当叠装内温度达到371(700下)和38O(715下)之间时保持6O分钟,然后断开加热允许空气冷却到接近230(450下)时,再快速冷却下来(见图2).80O7006005004OO30020ol000.翕昌磊墨虽童量虽量蚕奏分6【wJ500m3IR)200l000苗e硝图2典型的熔融粘接的层压周期3.3TacBondHT1.5粘接膜的PTFE的层压板(1)TacBondHT1.5粘接膜.TacBondHT1.5是一种用于粘接PTFE层压板的CTFE(三氟氯乙烯)热塑性薄膜,由于CTFE具有优良的粘接能力和电气特性(参见表2),在1970年代的中期便应用于粘接PTFE的层压的目的.CTFE结晶的熔点温度为202(2(397下),这个温度处在大多数PCB工厂的层压板的压机能力范围之内.TacBondHT1.5可以广泛用于PTFE的各种材料和TaconicTLY和TLX层压板材料的介电常数相匹配TacBondHT1.5粘接膜的层压板不推荐其后加工工序的温度超过176C(350下)的应用,例如热风焊料整平或多次顺序的层压的设计上.(2)TacBondHT1.5粘接膜的层压PTFE的内层应仔细进行蚀刻并在蚀刻以后不能伤害其表面结构,如果接着必须进行铜表面清洁衰2TacBondHT1.5粘接膜的典型特性介电常数濑鹅嘲0.粘接膜厚度塑国00囊矗体积电阻2.35ASTM3380D对总体的影响很小.b嘞_ll0000l舔00I|优良的低损耗性能0.038mm/0.0015StarrettMicrometero瀛00睾囊奠具有极好的防湿(潮_)lt!嘴10z兆欧/厘米(Mfdcm)ASTMD257PrintedCircuitInformation印制电路信息2006No.3.j.特种印制板;.羁哺:.SpecialPCB:时,要采用化学清洁的工艺内层的烘烤应在105C桂(220下)下保持30分钟以除去表面的任何湿气.TacBondHT1.5粘接薄膜除了加工定位孔和剪切有种要求外,不需要特别的预处理.配置好粘接叠装并印放置入热偶于层压机的中间开口处的中间层压板粘生Il接部位.放置的粘接叠装在热或冷的压机内加全压一力7巴至l4巴(1O0磅至200磅)以保持全负菏的生产率周期.监视粘接叠装的温度,当粘接叠装温度达到205(400下)时,在205至218(400下至425下)之问的温度保持20分钟.断开加热并在快速冷却之前允许叠装体到空气中冷却到接近150(300下),参见图3.而结晶熔点较高的FEP粘接膜的层压周期(曲线)如图4所以示.2高捣寮罱喜曷岛暑捂昌分图3典型的TacBondHT1.5粘接膜的层压(曲线)周期6IMl5l】0400300赠200lIx10.幂替s鲁量鸯墨重呈重量分图4典型的FEP粘接层压周期(曲线)表3TacPregTP一32的典型性能表4采用TacPregTP-32的优点性能优点BT.环氧树脂的涂覆介电常数介电损耗冈子205*(2(400下1固化温度有利于进行顺序层压工艺能与层压板的Dk相匹配属于好的低损耗性