浅谈挠性覆铜板在工业上的应用

第1章 绪论
1.1挠性印制电路板和挠性覆铜板简介
挠性印制电路板(Flexible Printed Circuit,FPC)是将聚酰亚胺薄膜或聚酯薄膜作为基础材料制备得到的一种印制电路板。它具有厚度薄、重量轻、挠曲度高、装配灵活、配线密度高等优点。随着科学技术的发展与进步,人们在生产生活中对电子技术有了更高要求,即高可靠性、高性能、多功能、便携化、小型化以及低成本,这使得电子产品朝着薄、轻、短、小方向发展。在这样的发展趋势下,FPC由于其具备的优点满足电子产品发展趋势的要求,因此得到了很快的发展,在手机通讯、电子产品、汽车、工业控制、仪器仪表、医疗器械、航空航天和军工等领域都得到了广泛地应用。
挠性覆铜板(Flexible copper clad laminate,FCCL)通常被应用为挠性印制电路板(FPC)的基板材料,一般由挠性绝缘膜和金属层组成。挠性覆铜板可以分为三层型FCCL和二层型FCCL。其中三层型FCCL是由铜层、挠性绝缘膜、胶黏剂结合而成,也被称为“3L-FCCL”;二层型FCCL又被称为无胶黏剂FCCL,是只由铜层和挠性绝缘膜两种材料结合而成,也被称为“2L-FCCL”。图1-1显示的是挠性印制电路板,图1-2显示的是挠性覆铜板。

图1-1 挠性印制电路板 图1-2 挠性覆铜板
Fig.1-1 Flexible printed circuit board Fig.1-2 Flexible copper cladlaminate
1.2 挠性覆铜板的生产及应用
1.2.1 挠性覆铜板的组成
挠性覆铜板主要由以下三部分组成:
挠性绝缘膜:用于FCCL的挠性绝缘膜材料有聚酰亚胺(PI)、聚酯(PET)、聚酯酰亚胺等材料。其中PI和PET制成的薄膜应用得最为广泛,PI薄膜在用于FCCL的绝缘膜使用量中占到了约90%。
胶黏剂:胶黏剂是3L-FCCL的重要组成部分,它直接关系到FCCL的各项性能。用于挠性覆铜板的胶黏剂有聚氨酯胶黏剂、聚酯类胶黏剂、环氧胶黏剂和丙烯酸酯类胶黏剂等。现在行业内在3L-FCCL中使用的胶黏剂主要为环氧树脂类胶黏剂及丙烯酸酯类胶黏剂两大类。
金属导体层:金属导体层是挠性覆铜板的导体部分,一般是铜箔(包括电解铜箔和压延铜箔)、铝箔、电镀铜层,溅射铜层。在以上材料中应用最多的是铜箔,同时电镀铜层和溅射铜层也得到了小规模应用。
1.2.2 挠性覆铜板的生产工艺
三层型FCCL的生产工艺与二层型FCCL的生产工艺明显不同,下面我们将分别就三层型FCCL和二层型FCCL的生产工艺进行介绍。
1. 三层型FCCL
挠性覆铜板在早期都是有胶的,这些产品是通过铜箔、挠性绝缘膜(如PI膜、PET膜等)以及胶黏剂三个部分结合而成的。这种产品就是三层型FCCL,又被称为三层有胶黏剂型FCCL。它们的制造工艺流程如图1-3所示:
图1-3 三层型FCCL制造工艺流程
Fig.1-4 The manufacturing process flow of three-layers flexible copper clad laminate
2. 二层型FCCL
二层型FCCL是铜箔与挠性绝缘膜直接结合而成,其生产工艺主要有三种:涂布法(Casting)、层压法(Laminate)、溅射/电镀法。
(1)涂布法
该方法是在铜箔的表面涂布上一层高粘合性PI树脂,然后再在其上面涂布上一层PI树脂的预聚体,之后进行加热、干燥,涂布的PI树脂的预聚体亚胺化,形成一体的PI树脂薄膜,制成产品。
(2)层压法
该方法是在PI薄膜表面单面或双面涂布上亚胺类胶黏剂或热熔性PI涂层,然后将其和铜箔叠在一起,在高温、高压的条件下进行压合,制得单面或双面的产品。
(3)溅射/电镀法
该方法是以PI薄膜作为基材,首先对PI膜表面进行活化处理,然后溅射上一层薄铜层(厚度在1μm以下),再在薄铜层上电镀铜加厚,将铜层的厚度加厚至所需厚度,从而制得产品。表1为二层型FCCL三种生产工艺的优缺点比较。
表1 三种生产工艺的优缺点比较
涂布法 层压法 溅射/电镀法
铜层 形成方法 电解/压延铜箔 电解/压延铜箔 溅射籽晶层+电镀
铜层厚度 9μm-μm 9μm-70μm 数百纳米-8μm
性能 附着力 良好 良好 稍差
绝缘可靠性 良好 良好 稍差
表面平滑性 稍差 稍差 良好
尺寸稳定性 良好 稍差 稍差
弯曲性 稍差 稍差 良好
1.2.3 挠性覆铜板的应用
FCCL是制备FPC的重要基础材料,其质量直接决定着FPC的质量。由于人们对于电子设备高精度性和小型化等要求,使得挠性电路板在计算机、通讯、仪器仪表等领域得到广泛应用,FCCL的应用也变得越来越广泛,广泛应用于电子产品、医疗器械、电子计算机、通讯以及航空航天等热门领域。
1.2.4 挠性覆铜板的发展趋势
近几年来随着FPC制备技术的发展,FCCL的性能有了更高的要求,具体体现在以下三个方面:第一,由于FPC向高密度化发展,要求FCCL更加薄同时满足微细线路的最新要求;第二,由于FPC的应用范围不断扩大,要求FCCL具有更高的挠曲性,以便适应最新的应用要求;第三,由于对FPC的环保要求变得越来越严格,要求FCCL向无卤化发展。
目前制备FPC大多通过减成法以FCCL作为基材进行制备。随着FPC朝着高密度化发展,导线间距及导线宽度也朝着微细化发展,要求其使用的FCCL变得更加薄。具体是要将FCCL的绝缘层(如PI薄膜等)厚度降到25μm以下,其导体层(如铜层)厚度从35μm降到12μm至5μm。FCCL厚度的降低除了利于制作微细线路,也有利于提高其挠曲性。据研究,随着FCCL厚度的降低,其挠曲性能够得到很大提高。FCCL向无卤化发展就是实现将三层型FCCL结构中环氧胶黏剂无卤化,同时保证其阻燃性能。但目前无卤化FCCL的成本、耐热性及尺寸稳定性等因素的影响,使得解决FCCL的无卤化问题难度很大。由于二层型FCCL没有胶黏剂层,因此其不存在无卤化问题,同时其厚度相对其他类型的FCCL来说更薄,从而也能较好的解决高密度化和高挠曲性的问题。因此二层型FCCL是FCCL的一个重要发展趋势。但其结合力相对其他类型的FCCL来说较低,仍需研究解决这个问题。
1.3 磁控溅射及其在挠性覆铜板制备中的应用
1.3.1 磁控溅射
磁控溅射是在溅射靶材周围施加平息与溅射靶表面的磁场,在靶表面形成正交电磁场,将电子束缚在溅射靶材附近以增加电离效率和提高等离子体密度,从而实现提高溅射速率的方法。与其他溅射技术相比,磁控溅射过程中基片温度低、对基底损伤低、溅射沉积速率高,被广泛用于制备各种薄膜,如金属膜、非金属膜、光学膜以及半导体材料薄膜。
磁控溅射的基本原理是:在溅射靶材上施加负的高电压,产生垂直于溅射靶材表面向外的电场。溅射靶材背面放置有永磁铁,这些永磁铁在靶材表面及附近产生近乎平行靶材表面的磁场。此时,电场和磁场相互正交。电子受到电场的作用,飞向相对处于阳极电位的基片。在此过程中与氩原子发生碰撞,使氩原子电离,产生Ar+和电子。Ar+在电场的作用下向带有很高负电压的阴极靶加速飞去,轰击溅射靶。具有较高动能的Ar+轰击溅射靶,能够将溅射靶的表面层物质以原子(或分子)及原子团(或分子团)的形式溅射出来飞向基片,在基片上沉积从而形成薄膜。氩原子电离过程中产生的新的电子,被称为二次电子。这些二次电子被电场加速后不是直接飞向阳极,而是和初始电子一起在同时受到电场力及磁场洛伦兹力的作用下,在阴极靶材附近做螺旋运动,这大大增加了电子与氩原子碰撞的几率,能够产生更多轰击靶材的Ar+,使溅射速率得到了很大提高。电子在与氩原子发生多次碰撞后,其能量慢慢降低,从而远离靶材附近,同时由于受到电场作用而沉积下来,有效避免了高能电子轰击基片造成的基片受损以及温度升高,有利于制备高质量的薄膜。磁控溅射基本原理如图1-4所示。
图1-4 磁控溅射基本原理图
根据施加的不同电场,可以将磁控溅射分为直流磁控溅射、脉冲磁控溅射以及射频磁控溅射。根据脉冲电场频率的不同,又可以将脉冲磁控溅射分为低频磁控溅射、中频磁控溅射以及高频磁控溅射。其中直流磁控溅射使用的溅射靶材要求导电性较好,而脉冲磁控溅射以及射频磁控溅射既可以使用导电性较好的溅射靶材,也可以使用导电性不好甚至不导电的溅射靶材。
1.3.2 磁控溅射在挠性覆铜板制备中的应用
随着电子技术的发展,对高性能PCB产品的需求也日益增多,挠性覆铜板的技术也不断被研发出来。挠性覆铜板从三层型挠性覆铜板发展到二层型挠性覆铜板。在电子产品朝着微细化发展的趋势下,需要导电层超薄(5-9μm)的FCCL制备微细电路,因此磁控溅射技术被应用到制备超薄FCCL的生产工艺中,成为制备工艺发展的新方向。同时,与其他镀膜技术相比,磁控溅射技术沉积的膜层均匀致密,膜层内部结晶性好,膜层与基片间的结合力强,适合生产大面积的产品,同时生产没有污染,符合当前绿色环保生产的理念。目前国外已经将磁控溅射技术制备二层型挠性覆铜板应用于工业生产,并推出了一系列产品。
目前在FCCL制备过程中磁控溅射技术有以下两种应用:(1)使用溅射/电镀法制备二层型FCCL,(2)在半加成法中使用磁控溅射镀铜制备超薄型FCCL。
(1)使用溅射/电镀法制备二层型FCCL
二层型FCCL是在三层型FCCL的基础上进行升级换代得到的,其与三层型挠性覆铜板相比具有挠曲性高、耐热性好、耐药性好、高温下剥离强度高、薄型、无卤的优点。目前二层型挠性覆铜板的生产工艺有涂布法、溅射/电镀法以及层压法。
涂布法是在铜箔的表面涂布上一层高粘合性PI树脂,然后再在其上面涂布上一层PI树脂的预聚体,之后进行加热、干燥,涂布的PI树脂的预聚体亚胺化,形成一体的PI树脂薄膜。
层压法是在PI薄膜表面单面或双面涂布上亚胺类胶黏剂或热熔性PI涂层,然后将其和铜箔叠在一起,在高温、高压的条件下进行压合,制得单面或双面的产品。
使用这两种方法生产导电层超薄(5-9μm)的二层型FCCL,必须要得到超薄的铜箔。目前使用的铜箔是通过压延得到的,铜箔越薄,其生产成本就要高,目前最薄的铜箔厚度也仅为9μm,并且其生产成本很高。因此,以上两种方法制备导电层超薄的二层型FCCL成本非常高。
溅射/电镀法是首先通过磁控溅射在PI薄膜沉积一层很薄的铜层(即籽晶层),然后在沉积上的铜层进行电镀加厚,制作出所需厚度的导电层。使用这种方法能够制备得到导电层为2-5μm的二层型FCCL。由于和其他两种制备二层型FCCL的工艺相比,溅射/电镀法能够制备得到更薄(2-5μm)的导电层,更适合电路板高密度布线的需要。因此在近几年使用该方法制备的二层型FCCL市场需求增长最快。目前日本住友金属矿业公司、美国Rogers公司、美国3M公司、韩国LS电线集团、台湾律胜科技公司等企业都使用溅射/电镀法制备二层型FCCL。
溅射/电镀法制备二层型FCCL目前仍然存在一些技术难点:a)剥离强度比较低,Cu与PI之间的结合力较差;b)挠曲性不够。目前磁控溅射/电镀法制备二层型FCCL的合格标准为:剥离强度不低于0.8N/mm,能够通过的挠曲测试次数不少于10万次。针对剥离强度较低这一问题,一般通过在磁控溅射之前对PI薄膜表面进行预处理(如使用等离子体轰击薄膜表面)来提高剥离强度。
(2)在半加成法中使用磁控溅射镀铜制备超薄型挠性覆铜板
FPC线路图形的制备方法有减成法、半加成法、全加成法三种。
减成法是制备FPC的常规生产工艺,是在覆铜板上形成抗蚀层,将非图形部分铜箔蚀刻掉,制得所需FPC。这种方法在蚀刻过程中铜层会发生侧蚀,严重影响线路的精确性,不适于生产微细电路图形。虽然使用超薄铜箔也可以制得叫精细的电路图形,但由于超薄铜箔生产成本非常高,因此也不适合。
全加成法是在绝缘膜表面直接形成密度超高的电路,目前仍然处于实验室研究阶段,尚未投入生产。
半加成法是在减成法的基础上发展而来的,目前已成为日本及台湾PCB微细线路生产的主流。半加成法的制备流程是:首先在绝缘膜上形成超薄的导电层(籽晶层),再形成耐电镀层,然后电镀铜加厚形成电路图形,接着在剥离耐电镀层后蚀刻超薄导电层(籽晶层)形成所需电路。
在半加成法中,磁控溅射技术主要用来在绝缘膜上沉积形成超薄的导电层,可以看成是制备得到导电层超薄的覆铜板。这样的覆铜板在形成耐电镀层后,电镀加厚再蚀去超薄导电层,形成电路。由于铜层与绝缘膜结合力较差,一般先在绝缘膜上形成过渡层,再进行磁控溅射铜。常用Ni、Cr等材料磁控溅射得到过渡层。
在半加成法中使用磁控溅射镀铜制备超薄型挠性覆铜板的技术难点主要在于超薄铜层与绝缘膜的结合强度不高。铜层与绝缘膜的结合强度手很多因素影响,如绝缘膜种类、绝缘膜预处理、铜层厚度、磁控溅射工艺等。其剥离强度合格标准为1.2N/mm。
1.4 聚酰亚胺薄膜的表面改性
使用磁控溅射在PI薄膜表面沉积铜膜存在一些技术难点,其中首要问题是铜膜与PI膜之间的结合力不高,针对这一情况,我们一般采取两种方法:一是使用Ni、Cr等材料在PI膜和铜膜之间制造一层过渡层;二是对PI膜进行表面改性。目前国际上针对这一问题主要研究的是对PI膜进行表面改性,制备过渡层由于会增加刻蚀难度等原因而在应用方面受到很大限制。因此,需要通过表面改性提高PI膜与铜膜之间的结合性能。
1.4.1 聚酰亚胺薄膜的表面研究
物体表面是物质存在延伸的终端,也是物体连续性的终点,它与物体体相相比具有很多新的特点和特征,因此对物体表面的研究远难于对物体体相的研究。在对物体表面进行分析的过程中,由于物体的表面变化(如粒度大小、表面缺陷等)是微观变化,对其实测结果的判断不同于常规观察。

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