新型挠性印制电路板基材.doc

新型挠性印制电路板基材?FPC?:新型挠性印制电路板基材(电子科技大学610054)杨邦朝顾永莲摘要目前挠性印制板仍以聚酰亚胺(PI)为基材,但PI的最大缺点是高的吸湿性函待改善,所以正努力开发高性能的高分子材料,以期取代PI.本文介绍了其中最有影响的两种新材料,即液晶聚合物(1iquidcrystalpolymer,简称LCP)及聚醚醚酮(PEEK),其具有低吸湿性,低热膨胀系数,低介电常数及高尺寸稳定性.文章同时还介绍了LCP2.PEEK在挠性印制板应用中遇到的问题及其解决方法.关键词挠性印制板液晶聚合物聚醚醚酮聚酰亚胺TheApplicationoftheSubstrateofFlexiblePrintingCircuitYangBangchaoGuYonglianAbstractCurrentlythesubstrateofflexibleprintingcircuitstillregardsPolyamideasthesubmateda1.butthebiggestweaknessofPIisthehighhygroscopicpower,SOpeopleworkharddevelopingsubmaterialofthehighperformance,tohopetoreplacethePI.Stextintroducestwokindsofnewmatedals,namelyLCPandPEEK.,whichhavemanyadvantages.especiallyintheaspectoflowhygroscopicpowercontainingoutstandingadvantage.ThisarticleStillintroducedtheproblemofLCPandPEEKandsolutionmethodsthatmeetsinapplication.Keywordsflexibleprintedcircuit(FPC)liquidcrystalpolymer(LCP)polyaryethrketone(PEEK)polyamide(PI)1前言挠性印制板(flexibleprintingcircuit,FPC)又简称软基板,随着信号传输的高频化和数字化发展,挠性印制板因其自身具有可弯曲性,同时还可按照产品使用的空间大小及形状进行空间立体布线,从而能更好满足短,小,轻,薄,美等应用需求,所以广泛应用在各类电子产品中,尤其是便携式通讯电子产品,如手机,PDA,相机等.其发展和增长速度都将超过刚性印制板,预计在今后几年内,在PCB工业中所占产值比重将超过25%.目前日本占有全世界FPC总量的50%,预计2005年全球PCB产值将达ll0亿美元,FPC将占有34%.全球主要生产挠性印制板厂商的产业结构如表1所示,它包括:(1)原材料(rawmateria1)供应商:含介质层及导电层(Cu),介质层材料主要多选用聚酰亚胺(polyamide,简称PI);(2)FCCL(flexiblecoppon表1柔性印制板产业结构代表性厂商原材料PI薄膜Dupont,Kaneka,TMT(达迈),Ube,Cu箔台湾日广,台湾铜箔,李长荣,古河FCCL3L-CCLNippon,Mcktron,台虹,律胜2I,CCLSumitomo,ToyoFPCT-BGA台湾嘉联益,台郡,殷嘉COF.CSP台湾晶强,楠电组装厂台湾友达,奇美,华映,明光,矽品等claddinglayer):该部分为将介质层和导电层粘和在一起;(3)FPC:按照用户设计要求,进一步将FCCL基板刻蚀成印制电路图;(4)组装厂:为将FPC与多种功能的电子零部件,元器件结合,组装焊接形成各式多样的电子产品.本文主要介绍对挠性印制性能影响最大的介质层材料的性能与应用作介绍,供同行参考.事实上,随着科技的进步,原材料与FCCL阶段已不能完全分开,并正在朝着整合型产业方向发展.挠性印制板PrintedCircuitInformation印制电路信息2004No.10.39:.一FPC挠性印制板2挠性印制板的种类挠性覆铜板(FCCL)基本上是由导体材料(铜箔)和绝缘基膜材料组成,主要用于加工挠性印制电路,广泛用于各种电子产品.FCCL的分类按照是否含粘结剂(adhesive,简称AD)分为三层及二层结构,在业界常称为3LCCL及2LCCL,如图l所示,对于3L.CCL最常用的生产方式是将PI膜及Cu箔,搭配不同高分子粘结剂用热压机完成其FCCL的制造.随着布线线条越来越细及高密度化的需求,无粘胶式(adhesiveness)的2L.CCL也逐渐开发完成,并应用于印制电路板的制作,但是不论何种结构与工艺,其中都需要使用介质层,而目前多以使用PI为主.除此之外,也还有使用PET为基材的挠性印制板,但多用于工作温度较低的产品.3L-CCL.鼍l_r/cII言三-AD1315tmDidctrIcL丑PnInaIlm,Pll2卜Casting2L-CCL_(3】sputtering2L?OCL=-一VarnishCostingw.自一一H12-181xrnlraidizati.ncul255DieletdcLa)er(e1)TieCoatSpuenng其中第二种的涂布型(Casting2LCCL)是将PI的前躯体PAA(Polyamicacid)直接涂布在cu箔上,经加热固化完成.图1FCCL的种类及工艺流程目前全球可供应挠性印制基材所需PI薄膜的公司主要有4家,包括东L,一Dupont,Kaneke,Taimide,VBE及钟渊化学工业公司等,除VBE主要供应IC封装用PI薄膜外,其余三家均有3种主要级别的PI膜,提供不同技术需求的FCCL工艺使用(如表2所示(451).众所周知,目前挠性印制板仍以PI为基材,但PI的最大缺点是高的吸湿性函待改善.PI的这一缺点有可能导致在高湿条件下,挠性印制板的可靠性降低,其中也包括水气在高温时的蒸发所造成Cu层的剥离以及导致Cu层被氧化等现象.除此之外,PI薄膜吸潮后造成的播曲(cur1)现象,都会造成PI材料在使用方面的困扰.对于薄膜吸收水分后引起的尺寸变化以CHE(COeffiCiencYOfhydroscopicexpansion)表示,而由ASTMD570规范下测得传统的PI的CHE值分布为7l6(10一H%),虽然可以使用,但其值明显偏高.所以业界正持续努力开发新的高性能的高分子材料,以希望取代PI,其中最有影响的为液晶聚合物(1iquidcrystalpolymer,简称LCP)及聚醚醚酮(PEEK).液晶聚合物是一种热塑性树脂,其高频特性好,尺寸稳定性好,用于高频多层印制板己深受关注【6I.另外,从其薄膜的基本特性来看,这两大类高分子材料完全有可能有效的弥补PI的缺陷,主要包括低吸湿性,低热膨胀系数,低介电常数及高尺寸稳定性.所以目前业界正积极开发应用该新材料的挠性印制品供应市场.其中代表厂商如3M的LCPFlex,表2各厂家PI薄膜物性比较表;.PrintedCircuitInformation印制电路信息2004No./0?FPC:GORE的BIAC及Victrex的PEEK等.其中将PEEK因具有相当高的玻璃化温度点,若再通过适当的:应用在挠性印制板中还是最近几年的事,包括由热处理使其分子链按最佳的顺向排列,则更可提高;Mitsubishichemical开发的Ibuki就是积极将PEEK材耐热性能,故在理论卜均可满足挠性印制板的应用:料应用的一个代表.要求I1.挠聚酰亚胺液晶聚合物I:液晶聚合物II:液晶聚合物III:聚醚醚酮:图2液晶聚合物,聚醚醚酮代表性分子结构表3及图2介绍了这两类高分子材料主要应用在工程塑料方面以及应用在高温注塑成型制造的多种连接器,汽车零组件及工业纤维方面,最近几年已开始将其制成薄膜,使之应用于挠性印制软基板以及其它薄膜产品上.如表3所示,LCP按其耐热性的不同,可分为三类,其中LCPIII因其主链卜具有脂肪族结构,当使用温度升高时会发生明显的水解现象,因此,不能当作挠性印制板的基材使用.而其它LCPI及LCPII下面将这些高聚物材料的基本特性汇列于表4之中,总的来讲,这两类高分子材料的主要优点如下.(1)低吸湿性.从LCP的分子结构可知,因它不含有强极性基团,故不易在使用和储存过程中吸收潮气,同时,由于LCP属Mesogen棒状分子结构,容易排列形成分子级的高阻绝缘效果,因此,具有优良的低吸湿性及电绝缘性.由表4可发现LCP及PEEK的吸湿性及对水分子的穿透率均比PI低很多,因而有利于挠性印制板的后加工.其低吸湿性的特点,还对介质常数,尺寸精度及稳定性,平整度等有直接影响.(2)高的尺寸稳定性.由于LCP及PEEK具有刚性的棒状分子结构,所以具有相当高的尺寸稳定性,再加卜其低吸湿性,所以在高温时亦可维持较小的收缩率.(3)其它优点.杂质含量(C1一)和金属离子(C1一,Na+,Li+)低,故可适用于高频挠性印制板应用,如用于硬盘的驱动Ic挠性印制板等;低介电常数,其值比PI还低,故非常适合用作高频器件的封装材料;优良的耐化学药品特性,可经受加工过程所接触的多种化学试剂浸蚀与破坏.3LCP及PEEK在挠性印制板应用中遇到的问题LCP及PEEK材料虽有前述的各种优点,但也存在一些缺点.将LCP薄膜应用于挠性印制板的有关研究报导较多,而PEEK应用于挠性印制板还是近年的事,故相关的资料较少.总的来说,此二类新材料因其特性和制备工艺相近,故遇到的问题也大致相似,主要有:表3LCP的分类比较表-陛印制板PrintedCircuitInformation印制电路信息2004No.10.41十_:.FPC一3.1各向异性问题LCP及PEEK薄膜的生产均是以热挤压工艺成膜,故其分子链的排列倾向某一轴向,即其MD(machinedirection)及TD(transversedirection)显得极不对称,此结构上的各向异性存在,将使其在与Cu箔压合之后,呈现出不对称的播曲现象,并影响基板的尺寸稳定性.一般PI薄膜是采用溶液涂布法制成膜,在生产工艺上会注意,Y轴的平衡问题,再经过适当的张力控制,可使薄膜达到MD/TD的一致性.但是,如上所述,由于LCP及PEEK是采用热挤压成形,在本质上利用此方法要想达到MD/TD一致性的技术难度相对较高,因此在一定程度上会影响其应用.3.2耐热性问题LCP的点虽然可高达300,但与PI(KaptonHN)的390相比仍存在较大差距,因此,LCP薄膜在高温下的机械强度较低,故以LCP薄膜制作的挠性印制板则不允许长期处于高温环境下.如表4所示,PEEK材料的点仅143,则更难满足耐热性方面的要求.正如以PET为基材的挠性印制板只能应用在无高温要求的普通环境下,为改进PEEK薄膜的热稳定性,可采用加入适量玻璃纤维的方法,其添加量最高可达30%,玻璃纤维的含量越高,材料的延伸率和可摧曲性就越差.33剥离强度与现行的FCCL制造工艺相同,使用LCP及PEEK材料应用在FCCL的工艺可分为三种.(1)胶粘式3L.FCCL和传统的压合法一样,多利用环氧树脂为粘和剂,达到三层板的压合.(2)无胶式工艺I(熔融3L.FCCL)将材料加热至高温熔融状态后,直接挤压出涂布在铜箔上.(3)无胶式工艺II(溅射法)在真空下将LCP及PEEK分别蒸镀一层NiCr薄膜作中间介过渡层,然后溅镀上Cu薄膜作种子层,再通过电镀方式增厚至所需厚度.一般来说,胶粘式的3L.FCCL工艺(即压合法)所产生的产品,因粘结剂提供了一个良好的缓冲层及高剥离强度来源,所以其剥离强度均在适用范围内,但对其它两种无胶式工艺却不同.一般来说,用熔融涂布法制得的挠性印制板,仍存在剥离强度方面的问题.所以在加工前常常需对Cu箔表面进行粗化处理,以增加其剥离强度.但是Cu箔在粗化后,进行挠性印制板制作时,因刻蚀后常会有残存铜的存在,这有可能使其可靠性降低.除此之外,熔融法涂布时的高温对Cu层的氧化也是工艺中应予注意的问题,基本上Cu层在大气环境下,温度超过170即有氧化现象发生.采用溅射法制成的FCCL因Cu原子是溅射淀积在基板上,所以剥离强度一般不高,在该法中虽可先淀积粘附层来提高膜层的剥离强度,但其强度仍比较差.此外,溅射过程的高温对这两类新材料薄膜的尺寸稳定性也有不利影响,从而造成薄膜张力控制上的困难,这些都是有待进一步研究解决的课题【8】.同时,在熔融涂布法工艺中Cu箔的厚度也不可能太薄,故越薄的Cu箔价格越高,而且会提高加工处理的工艺难度.此问题在以PI为基板的Casting2L.表4各种聚合物薄膜的特性比较;.PrintedCircuitInformation印制电路信息2004No.10;挠性印制板FPC?CCL中也一样仔侄,故对丁未来超高密度线路的要求会难以满足.34粗糙界面图3所示,挠性印制板可采用所谓减层法(subtractiv)或加层法(additive)来制作.无论采用哪种工艺,这样的挠性印制基板进行高温/高湿测试时,都会发现采用熔融涂法的FCCL有时会发生线路剥离的现象,由SEM观察分析可发现这是由于LCP和Cu层间的界面过于粗糙所造成的,因为多孔粗糙的表面会在Cu层刻蚀后留在LCP表面,造成Cu层刻蚀时Cu布线形成所谓切底(Undercut)现象,所以该材料系统太适合应用于细线工艺方面.而以溅射法制作的FCCL虽然无此问题存在,但冈其剥离强度较低,在高温/高湿的环境实验中也较容易现质量问题.典型减层法l二艺童量胃号,rirJ1一JrPFiIjmSeeding口冒一.一一_口一P一CuP/R图3LCPFlexlJ用减层法及加层法制作流程图图4示Hl了以LCP为基材,分别利用两种不同方法制成的线路板的SEM照片,由该图可清楚发现利用熔融涂布法的表面显得相当粗糙,而溅射法的外观则显得较好.(a)熔融涂布法(b)真空溅射法图4利用LCP做成的线路的SEM照片I.】3.5延伸率如表4所示,典型的LCP薄膜的延伸率小于20%,这在满足挠性印制板所要求的可播曲性方面存在较大距离.因为可播曲性检测(flexuralendurance)是决定挠性印制板是否可以应用的一项重要指标.如在PI体系,通常被认可的标准是大于100000次.因此,此特性对LCP来说将存在很大困难.而在PI系统中有一经验特性可值得一提,即日本Kaneka公司的ApicalAH及NPI膜(其规定的延伸率分别为100%及85),因为AH膜较柔软,故在应用上较NPI膜更易被业界所接受,而NPI膜的应用则是在要求线条较细的印制板方面.3.6透明(视)度从分子结构看,LCP及PEEK均属于容易结晶的高分子物质,故在热挤压过程及后处理时都会影响其结晶性,当结晶度较高时,则薄膜在外观上将变得较不透明,用其制作的挠性印制板在后处理加工上容易产生对位卜的困难.而P1分子结构较不易堆积,故材料本身仅存在微量结晶性,不论在任何工艺过程中都能保持较好的透明度.37轻薄化及高密度化目前PI为主的挠性印制板已逐渐走向成熟,已可达到0,5mil(12.5mm),而且此趋势愈来愈明显,故对以热挤压成膜的LCP及PEEK膜都会是一项新的挑战.除此之外,随着信息量的需求,单面板已不能满足需求,高密度的双面板也是该材料需考虑的问题.4结论PI薄膜早在60年代就被美国应用于太空工业,在历经50年的不断改善与提高后,目前已发展成一种成熟的产品,是当前挠性印制板的主要基材.但它仍存在某些不足I101,最大缺点是高的吸湿性.本文的液晶聚合物(1iquidcrystalpolymer,简称LCP)及聚醚醚酮(PEEK),在低吸湿性方面具有突出的优势,同时还具有低热膨胀系数,低介电常数及高尺寸稳定性等特点,因此受到了业界的广泛关注,虽然也存在一些未被业界广泛认可的问题,但仍有望成为新型的挠性印制板基材.现将聚酰亚胺(PI),液晶聚合物(1iquidcrystalpolymer,简称LCP)及聚醚醚酮(PEEK)材料的特性及应用方面的比较汇集于表5,供应用参考.参考文献【1】林金堵.应用领域迅速扩大的挠性印制板.印制电路信息,2004.4:321Fiore,M.;Honda,K.Recursivetypesingames:axiomaticsandprocessrepresentation,ThirteenthAnnualIEEESymposiumon,1-24June1998(下转第64页)PrintedCircuitInformation印制电路信息2004No.10.43:挠性印制板;.(2)试验结果165,r2Omin150/20min):le00循环(0/40)PCT(I27/2.5atm):48h(0/38)THB(85/85%RH,45V):l0o0h(0124)由此可见.预涂底部填料工艺可以实现与TCP和R.COF同等的可靠性一圈8采用预涂底部填料工艺的实施例6今后展望预滁底部填料l:艺通过粘结工程和底部填料工程同时进行的Ao.Sn金属结合的优点如下:(1)如果粘结器上附加涂布器功能就无须预涂底部填料装置和固化炉,从而可减少设备投资额.装置的设置空间和电力消耗可咀减少到过去的50%(2)底部填料树脂涂布和粘结同时进行,可以缩(上接第43页)短_=期,降低成本(3)适应于大型Ic或者正方形Ic等过去难以浸透底部填料树脂的制品安装,可以获得高连接可靠性(与TCP相同)今后液晶驱动以外的器件也会利用这些特长.预计采用底部填料预涂工艺的An.Sn接合倒芯片COF技术将会得到同行业界的广泛认知.有望作为同行业中COF安装方式的标准而广泛采用.参考文献【1赤羽隆行他COFl二打盱壬先ry一7Jr-工法s0nev尹4技衔0开发第l7回工口二,z实装学衔绩蒲火台耩演榆文集,工k,1:2二,实装会P167.2003【2M.Chino.Pre-AppliedUnderlilIProcessforCOF.10thKGDPackagingandTestWorkshopProceedings.DieProductsConsortium.p21,20033原秀和他7一7村先鎏布晷Au-Sn接合7于7.一,4ODF技术开发第13回,12工口二,A论文集.工,口二,实装学会./=204.2003【4干野满.先7一74工法它用LAuSn接台7u7C0F技术.i口二实装技术.2004.04(Vo!.20No.41表5三种主要挠性基板的特性及应用比较【3Roeck