基于PTFE的PCB的多层层压方法

1、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,equipmentn eedsandbondingmethodsusedtop

2、roducelow-countandhighcountptfemultiplayerboards. keywordsptfebondingmaterialslaminationprocessfusionbondi ngbondingfilm hybridprepreg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 应用屮能够节省重量和空间的方法为了节省重量和 空间

3、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,

4、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 压等方法來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 采用儿层电路粘接在一起，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.

5、 由于顺序的层压困难，直到现在,ptfe的多层 printedcircuitlnformation 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

6、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 °c （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（p resspadding）, 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,在木文中不于论述.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（

7、压）合在一起.0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（auto

8、clave）.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 屮,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

9、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°c （400下）以下.这个温度不够高，因此是不能用于ctfe（chlorotrit 1 uoroethylene,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p

10、tfe,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457mmx610mm（18x24n）. 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21 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 e（100磅）的压力.

11、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而积上的压 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 （0.25x0.50”）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1所示.一般来说，热塑性粘接薄膜具有较低的介 电损耗（losstangent）和介电常数.但是，当在它 们的结

12、晶熔化点（crystal linemeltpoint）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 熊蹙丝翌丝:：压机的温度要求ctfe臓，一.叩爹麟珏.直接熔融218°c（425 下）274°c（525 下）382°c（720 下）printedcircuitlnformation 印制电路信息 200ano.特种印制板;?-?specialpcb?-?-?-?-?-?-?9-99999999q999999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

13、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 固的半固化片产甜已经开发出来了,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（aiipocke

14、ts）lu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开发岀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

15、压的温度和压力在大多数的pcb 工厂屮都是能够达到的.tacpreg半固化片比起用于 粘接ptfe多层板的帘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白于合适材料的选择.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.具有双而铜箔的内层芯片（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

16、采用层压之前内层芯片的铜箔表 ;.printedcircuitlnformation 印制屯路信息 2006aa，./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.堆叠体高度和缓冲梨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

17、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i古i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

18、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 压工艺屮，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-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

19、（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（threelayertinplated board）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

20、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20巴（300磅）的压力下加热u371 °c（7oo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°c（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 °c（700下）高温的能力.正 是这个原因,只有很少

21、数的pcb工厂才具各这个能 力，但是目前其数量己经正在增加了当采用熔融粘 接时,为了保证铜导线簇完全被树脂填满，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簇之间的 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的表而，尽管这

22、个表而结构与其它的粘接 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°c （220下）下烘烤30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20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°c（700下）和38o°c（7i5下）之间吋保持60 分钟

23、,然后断开加热允许空气冷却到接近230°c （450下）时，再快速冷却下来（见图2）.80070060050040030020o1000翕昌磊墨虽童量虽量蚕奏分6 wj500m3ir）2001000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 （l）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20272（397下）,这个温度处在

24、大多数 pcb工厂的层压板的压机能力范围之内.tacbond ht1.5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tacbondht 1.5粘接膜的层压板不推荐其后加工工序的温度超过 1769（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.tacbondht 1.5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 瀨鹅嘲0.粘接膜厚度 塑国00囊 体积电阻2.35astm3380d对总体的影响很小.b勵_mj100001舔为 r00

25、i优良的低损耗性能 0.038mnv0.0015starrettmicrometer。瀛00为睾囊奠具有极好的防湿（潮lt!嘴10z 兆欧/厘米（mfdcm）astmd257printedcircuitlnformation 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屮间开口处的屮间层压板粘 生ii接部位放置的粘接叠装在热或冷的压机内加全压

26、力7巴至14巴（100磅至200磅）以保持全负淌的 生产率周期.监视粘接叠装的温度,当粘接叠装温 度达到 205°c（400 下）时，在 205°c至 218°c（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°c （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高捣寮置克曷岛暑捂昌分图3典型的tacbondhtl.5粘接膜的层压（曲线）周期6im151 0400300赠20011x10幕替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釆用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 属于好的低损耗性能 在pcb工业中有广泛应用 能力