新型撓性印制電路板基材.doc

新型撓性印制電路板基材?FPC?:新型撓性印制電路板基材(電子科技大學(xué)610054)楊邦朝顧永蓮摘要目前撓性印制板仍以聚酰亞胺(PI)為基材,但PI的最大缺點(diǎn)是高的吸濕性函待改善,所以正努力開(kāi)發(fā)高性能的高分子材料,以期取代PI.本文介紹了其中最有影響的兩種新材料,即液晶聚合物(1iquidcrystalpolymer,簡(jiǎn)稱LCP)及聚醚醚酮(PEEK),其具有低吸濕性,低熱膨脹系數(shù),低介電常數(shù)及高尺寸穩(wěn)定性.文章同時(shí)還介紹了LCP2.PEEK在撓性印制板應(yīng)用中遇到的問(wèn)題及其解決方法.關(guān)鍵詞撓性印制板液晶聚合物聚醚醚酮聚酰亞胺TheApplicationoftheSubstrateofFlexiblePrintingCircuitYangBangchaoGuYonglianAbstractCurrentlythesubstrateofflexibleprintingcircuitstillregardsPolyamideasthesubmateda1.butthebiggestweaknessofPIisthehighhygroscopicpower,SOpeopleworkharddevelopingsubmaterialofthehighperformance,tohopetoreplacethePI.Stextintroducestwokindsofnewmatedals,namelyLCPandPEEK.,whichhavemanyadvantages.especiallyintheaspectoflowhygroscopicpowercontainingoutstandingadvantage.ThisarticleStillintroducedtheproblemofLCPandPEEKandsolutionmethodsthatmeetsinapplication.Keywordsflexibleprintedcircuit(FPC)liquidcrystalpolymer(LCP)polyaryethrketone(PEEK)polyamide(PI)1前言撓性印制板(flexibleprintingcircuit,FPC)又簡(jiǎn)稱軟基板,隨著信號(hào)傳輸?shù)母哳l化和數(shù)字化發(fā)展,撓性印制板因其自身具有可彎曲性,同時(shí)還可按照產(chǎn)品使用的空間大小及形狀進(jìn)行空間立體布線,從而能更好滿足短,小,輕,薄,美等應(yīng)用需求,所以廣泛應(yīng)用在各類電子產(chǎn)品中,尤其是便攜式通訊電子產(chǎn)品,如手機(jī),PDA,相機(jī)等.其發(fā)展和增長(zhǎng)速度都將超過(guò)剛性印制板,預(yù)計(jì)在今后幾年內(nèi),在PCB工業(yè)中所占產(chǎn)值比重將超過(guò)25%.目前日本占有全世界FPC總量的50%,預(yù)計(jì)2005年全球PCB產(chǎn)值將達(dá)ll0億美元,FPC將占有34%.全球主要生產(chǎn)撓性印制板廠商的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)如表1所示,它包括:(1)原材料(rawmateria1)供應(yīng)商:含介質(zhì)層及導(dǎo)電層(Cu),介質(zhì)層材料主要多選用聚酰亞胺(polyamide,簡(jiǎn)稱PI);(2)FCCL(flexiblecoppon表1柔性印制板產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)代表性廠商原材料PI薄膜Dupont,Kaneka,TMT(達(dá)邁),Ube,Cu箔臺(tái)灣日廣,臺(tái)灣銅箔,李長(zhǎng)榮,古河FCCL3L-CCLNippon,Mcktron,臺(tái)虹,律勝2I,CCLSumitomo,ToyoFPCT-BGA臺(tái)灣嘉聯(lián)益,臺(tái)郡,殷嘉COF.CSP臺(tái)灣晶強(qiáng),楠電組裝廠臺(tái)灣友達(dá),奇美,華映,明光,矽品等claddinglayer):該部分為將介質(zhì)層和導(dǎo)電層粘和在一起;(3)FPC:按照用戶設(shè)計(jì)要求,進(jìn)一步將FCCL基板刻蝕成印制電路圖;(4)組裝廠:為將FPC與多種功能的電子零部件,元器件結(jié)合,組裝焊接形成各式多樣的電子產(chǎn)品.本文主要介紹對(duì)撓性印制性能影響最大的介質(zhì)層材料的性能與應(yīng)用作介紹,供同行參考.事實(shí)上,隨著科技的進(jìn)步,原材料與FCCL階段已不能完全分開(kāi),并正在朝著整合型產(chǎn)業(yè)方向發(fā)展.撓性印制板PrintedCircuitInformation印制電路信息2004No.10.39:.一FPC撓性印制板2撓性印制板的種類撓性覆銅板(FCCL)基本上是由導(dǎo)體材料(銅箔)和絕緣基膜材料組成,主要用于加工撓性印制電路,廣泛用于各種電子產(chǎn)品.FCCL的分類按照是否含粘結(jié)劑(adhesive,簡(jiǎn)稱AD)分為三層及二層結(jié)構(gòu),在業(yè)界常稱為3LCCL及2LCCL,如圖l所示,對(duì)于3L.CCL最常用的生產(chǎn)方式是將PI膜及Cu箔,搭配不同高分子粘結(jié)劑用熱壓機(jī)完成其FCCL的制造.隨著布線線條越來(lái)越細(xì)及高密度化的需求,無(wú)粘膠式(adhesiveness)的2L.CCL也逐漸開(kāi)發(fā)完成,并應(yīng)用于印制電路板的制作,但是不論何種結(jié)構(gòu)與工藝,其中都需要使用介質(zhì)層,而目前多以使用PI為主.除此之外,也還有使用PET為基材的撓性印制板,但多用于工作溫度較低的產(chǎn)品.3L-CCL.鼉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其中第二種的涂布型(Casting2LCCL)是將PI的前軀體PAA(Polyamicacid)直接涂布在cu箔上,經(jīng)加熱固化完成.圖1FCCL的種類及工藝流程目前全球可供應(yīng)撓性印制基材所需PI薄膜的公司主要有4家,包括東L,一Dupont,Kaneke,Taimide,VBE及鐘淵化學(xué)工業(yè)公司等,除VBE主要供應(yīng)IC封裝用PI薄膜外,其余三家均有3種主要級(jí)別的PI膜,提供不同技術(shù)需求的FCCL工藝使用(如表2所示(451).眾所周知,目前撓性印制板仍以PI為基材,但PI的最大缺點(diǎn)是高的吸濕性函待改善.PI的這一缺點(diǎn)有可能導(dǎo)致在高濕條件下,撓性印制板的可靠性降低,其中也包括水氣在高溫時(shí)的蒸發(fā)所造成Cu層的剝離以及導(dǎo)致Cu層被氧化等現(xiàn)象.除此之外,PI薄膜吸潮后造成的播曲(cur1)現(xiàn)象,都會(huì)造成PI材料在使用方面的困擾.對(duì)于薄膜吸收水分后引起的尺寸變化以CHE(COeffiCiencYOfhydroscopicexpansion)表示,而由ASTMD570規(guī)范下測(cè)得傳統(tǒng)的PI的CHE值分布為7l6(10一H%),雖然可以使用,但其值明顯偏高.所以業(yè)界正持續(xù)努力開(kāi)發(fā)新的高性能的高分子材料,以希望取代PI,其中最有影響的為液晶聚合物(1iquidcrystalpolymer,簡(jiǎn)稱LCP)及聚醚醚酮(PEEK).液晶聚合物是一種熱塑性樹(shù)脂,其高頻特性好,尺寸穩(wěn)定性好,用于高頻多層印制板己深受關(guān)注【6I.另外,從其薄膜的基本特性來(lái)看,這兩大類高分子材料完全有可能有效的彌補(bǔ)PI的缺陷,主要包括低吸濕性,低熱膨脹系數(shù),低介電常數(shù)及高尺寸穩(wěn)定性.所以目前業(yè)界正積極開(kāi)發(fā)應(yīng)用該新材料的撓性印制品供應(yīng)市場(chǎng).其中代表廠商如3M的LCPFlex,表2各廠家PI薄膜物性比較表;.PrintedCircuitInformation印制電路信息2004No./0?FPC:GORE的BIAC及Victrex的PEEK等.其中將PEEK因具有相當(dāng)高的玻璃化溫度點(diǎn),若再通過(guò)適當(dāng)?shù)?應(yīng)用在撓性印制板中還是最近幾年的事,包括由熱處理使其分子鏈按最佳的順向排列,則更可提高;Mitsubishichemical開(kāi)發(fā)的Ibuki就是積極將PEEK材耐熱性能,故在理論卜均可滿足撓性印制板的應(yīng)用:料應(yīng)用的一個(gè)代表.要求I1.撓聚酰亞胺液晶聚合物I:液晶聚合物II:液晶聚合物III:聚醚醚酮:圖2液晶聚合物,聚醚醚酮代表性分子結(jié)構(gòu)表3及圖2介紹了這兩類高分子材料主要應(yīng)用在工程塑料方面以及應(yīng)用在高溫注塑成型制造的多種連接器,汽車零組件及工業(yè)纖維方面,最近幾年已開(kāi)始將其制成薄膜,使之應(yīng)用于撓性印制軟基板以及其它薄膜產(chǎn)品上.如表3所示,LCP按其耐熱性的不同,可分為三類,其中LCPIII因其主鏈卜具有脂肪族結(jié)構(gòu),當(dāng)使用溫度升高時(shí)會(huì)發(fā)生明顯的水解現(xiàn)象,因此,不能當(dāng)作撓性印制板的基材使用.而其它LCPI及LCPII下面將這些高聚物材料的基本特性匯列于表4之中,總的來(lái)講,這兩類高分子材料的主要優(yōu)點(diǎn)如下.(1)低吸濕性.從LCP的分子結(jié)構(gòu)可知,因它不含有強(qiáng)極性基團(tuán),故不易在使用和儲(chǔ)存過(guò)程中吸收潮氣,同時(shí),由于LCP屬M(fèi)esogen棒狀分子結(jié)構(gòu),容易排列形成分子級(jí)的高阻絕緣效果,因此,具有優(yōu)良的低吸濕性及電絕緣性.由表4可發(fā)現(xiàn)LCP及PEEK的吸濕性及對(duì)水分子的穿透率均比PI低很多,因而有利于撓性印制板的后加工.其低吸濕性的特點(diǎn),還對(duì)介質(zhì)常數(shù),尺寸精度及穩(wěn)定性,平整度等有直接影響.(2)高的尺寸穩(wěn)定性.由于LCP及PEEK具有剛性的棒狀分子結(jié)構(gòu),所以具有相當(dāng)高的尺寸穩(wěn)定性,再加卜其低吸濕性,所以在高溫時(shí)亦可維持較小的收縮率.(3)其它優(yōu)點(diǎn).雜質(zhì)含量(C1一)和金屬離子(C1一,Na+,Li+)低,故可適用于高頻撓性印制板應(yīng)用,如用于硬盤的驅(qū)動(dòng)Ic撓性印制板等;低介電常數(shù),其值比PI還低,故非常適合用作高頻器件的封裝材料;優(yōu)良的耐化學(xué)藥品特性,可經(jīng)受加工過(guò)程所接觸的多種化學(xué)試劑浸蝕與破壞.3LCP及PEEK在撓性印制板應(yīng)用中遇到的問(wèn)題LCP及PEEK材料雖有前述的各種優(yōu)點(diǎn),但也存在一些缺點(diǎn).將LCP薄膜應(yīng)用于撓性印制板的有關(guān)研究報(bào)導(dǎo)較多,而PEEK應(yīng)用于撓性印制板還是近年的事,故相關(guān)的資料較少.總的來(lái)說(shuō),此二類新材料因其特性和制備工藝相近,故遇到的問(wèn)題也大致相似,主要有:表3LCP的分類比較表-陛印制板PrintedCircuitInformation印制電路信息2004No.10.41十_:.FPC一3.1各向異性問(wèn)題LCP及PEEK薄膜的生產(chǎn)均是以熱擠壓工藝成膜,故其分子鏈的排列傾向某一軸向,即其MD(machinedirection)及TD(transversedirection)顯得極不對(duì)稱,此結(jié)構(gòu)上的各向異性存在,將使其在與Cu箔壓合之后,呈現(xiàn)出不對(duì)稱的播曲現(xiàn)象,并影響基板的尺寸穩(wěn)定性.一般PI薄膜是采用溶液涂布法制成膜,在生產(chǎn)工藝上會(huì)注意,Y軸的平衡問(wèn)題,再經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)膹埩刂?可使薄膜達(dá)到MD/TD的一致性.但是,如上所述,由于LCP及PEEK是采用熱擠壓成形,在本質(zhì)上利用此方法要想達(dá)到MD/TD一致性的技術(shù)難度相對(duì)較高,因此在一定程度上會(huì)影響其應(yīng)用.3.2耐熱性問(wèn)題LCP的點(diǎn)雖然可高達(dá)300,但與PI(KaptonHN)的390相比仍存在較大差距,因此,LCP薄膜在高溫下的機(jī)械強(qiáng)度較低,故以LCP薄膜制作的撓性印制板則不允許長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境下.如表4所示,PEEK材料的點(diǎn)僅143,則更難滿足耐熱性方面的要求.正如以PET為基材的撓性印制板只能應(yīng)用在無(wú)高溫要求的普通環(huán)境下,為改進(jìn)PEEK薄膜的熱穩(wěn)定性,可采用加入適量玻璃纖維的方法,其添加量最高可達(dá)30%,玻璃纖維的含量越高,材料的延伸率和可摧曲性就越差.33剝離強(qiáng)度與現(xiàn)行的FCCL制造工藝相同,使用LCP及PEEK材料應(yīng)用在FCCL的工藝可分為三種.(1)膠粘式3L.FCCL和傳統(tǒng)的壓合法一樣,多利用環(huán)氧樹(shù)脂為粘和劑,達(dá)到三層板的壓合.(2)無(wú)膠式工藝I(熔融3L.FCCL)將材料加熱至高溫熔融狀態(tài)后,直接擠壓出涂布在銅箔上.(3)無(wú)膠式工藝II(濺射法)在真空下將LCP及PEEK分別蒸鍍一層NiCr薄膜作中間介過(guò)渡層,然后濺鍍上Cu薄膜作種子層,再通過(guò)電鍍方式增厚至所需厚度.一般來(lái)說(shuō),膠粘式的3L.FCCL工藝(即壓合法)所產(chǎn)生的產(chǎn)品,因粘結(jié)劑提供了一個(gè)良好的緩沖層及高剝離強(qiáng)度來(lái)源,所以其剝離強(qiáng)度均在適用范圍內(nèi),但對(duì)其它兩種無(wú)膠式工藝卻不同.一般來(lái)說(shuō),用熔融涂布法制得的撓性印制板,仍存在剝離強(qiáng)度方面的問(wèn)題.所以在加工前常常需對(duì)Cu箔表面進(jìn)行粗化處理,以增加其剝離強(qiáng)度.但是Cu箔在粗化后,進(jìn)行撓性印制板制作時(shí),因刻蝕后常會(huì)有殘存銅的存在,這有可能使其可靠性降低.除此之外,熔融法涂布時(shí)的高溫對(duì)Cu層的氧化也是工藝中應(yīng)予注意的問(wèn)題,基本上Cu層在大氣環(huán)境下,溫度超過(guò)170即有氧化現(xiàn)象發(fā)生.采用濺射法制成的FCCL因Cu原子是濺射淀積在基板上,所以剝離強(qiáng)度一般不高,在該法中雖可先淀積粘附層來(lái)提高膜層的剝離強(qiáng)度,但其強(qiáng)度仍比較差.此外,濺射過(guò)程的高溫對(duì)這兩類新材料薄膜的尺寸穩(wěn)定性也有不利影響,從而造成薄膜張力控制上的困難,這些都是有待進(jìn)一步研究解決的課題【8】.同時(shí),在熔融涂布法工藝中Cu箔的厚度也不可能太薄,故越薄的Cu箔價(jià)格越高,而且會(huì)提高加工處理的工藝難度.此問(wèn)題在以PI為基板的Casting2L.表4各種聚合物薄膜的特性比較;.PrintedCircuitInformation印制電路信息2004No.10;撓性印制板FPC?CCL中也一樣仔侄,故對(duì)丁未來(lái)超高密度線路的要求會(huì)難以滿足.34粗糙界面圖3所示,撓性印制板可采用所謂減層法(subtractiv)或加層法(additive)來(lái)制作.無(wú)論采用哪種工藝,這樣的撓性印制基板進(jìn)行高溫/高濕測(cè)試時(shí),都會(huì)發(fā)現(xiàn)采用熔融涂法的FCCL有時(shí)會(huì)發(fā)生線路剝離的現(xiàn)象,由SEM觀察分析可發(fā)現(xiàn)這是由于LCP和Cu層間的界面過(guò)于粗糙所造成的,因?yàn)槎嗫状植诘谋砻鏁?huì)在Cu層刻蝕后留在LCP表面,造成Cu層刻蝕時(shí)Cu布線形成所謂切底(Undercut)現(xiàn)象,所以該材料系統(tǒng)太適合應(yīng)用于細(xì)線工藝方面.而以濺射法制作的FCCL雖然無(wú)此問(wèn)題存在,但岡其剝離強(qiáng)度較低,在高溫/高濕的環(huán)境實(shí)驗(yàn)中也較容易現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題.典型減層法l二藝童量胃號(hào),rirJ1一JrPFiIjmSeeding口冒一.一一_口一P一CuP/R圖3LCPFlexlJ用減層法及加層法制作流程圖圖4示Hl了以LCP為基材,分別利用兩種不同方法制成的線路板的SEM照片,由該圖可清楚發(fā)現(xiàn)利用熔融涂布法的表面顯得相當(dāng)粗糙,而濺射法的外觀則顯得較好.(a)熔融涂布法(b)真空濺射法圖4利用LCP做成的線路的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%,這在滿足撓性印制板所要求的可播曲性方面存在較大距離.因?yàn)榭刹デ詸z測(cè)(flexuralendurance)是決定撓性印制板是否可以應(yīng)用的一項(xiàng)重要指標(biāo).如在PI體系,通常被認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)是大于100000次.因此,此特性對(duì)LCP來(lái)說(shuō)將存在很大困難.而在PI系統(tǒng)中有一經(jīng)驗(yàn)特性可值得一提,即日本Kaneka公司的ApicalAH及NPI膜(其規(guī)定的延伸率分別為100%及85),因?yàn)锳H膜較柔軟,故在應(yīng)用上較NPI膜更易被業(yè)界所接受,而NPI膜的應(yīng)用則是在要求線條較細(xì)的印制板方面.3.6透明(視)度從分子結(jié)構(gòu)看,LCP及PEEK均屬于容易結(jié)晶的高分子物質(zhì),故在熱擠壓過(guò)程及后處理時(shí)都會(huì)影響其結(jié)晶性,當(dāng)結(jié)晶度較高時(shí),則薄膜在外觀上將變得較不透明,用其制作的撓性印制板在后處理加工上容易產(chǎn)生對(duì)位卜的困難.而P1分子結(jié)構(gòu)較不易堆積,故材料本身僅存在微量結(jié)晶性,不論在任何工藝過(guò)程中都能保持較好的透明度.37輕薄化及高密度化目前PI為主的撓性印制板已逐漸走向成熟,已可達(dá)到0,5mil(12.5mm),而且此趨勢(shì)愈來(lái)愈明顯,故對(duì)以熱擠壓成膜的LCP及PEEK膜都會(huì)是一項(xiàng)新的挑戰(zhàn).除此之外,隨著信息量的需求,單面板已不能滿足需求,高密度的雙面板也是該材料需考慮的問(wèn)題.4結(jié)論P(yáng)I薄膜早在60年代就被美國(guó)應(yīng)用于太空工業(yè),在歷經(jīng)50年的不斷改善與提高后,目前已發(fā)展成一種成熟的產(chǎn)品,是當(dāng)前撓性印制板的主要基材.但它仍存在某些不足I101,最大缺點(diǎn)是高的吸濕性.本文的液晶聚合物(1iquidcrystalpolymer,簡(jiǎn)稱LCP)及聚醚醚酮(PEEK),在低吸濕性方面具有突出的優(yōu)勢(shì),同時(shí)還具有低熱膨脹系數(shù),低介電常數(shù)及高尺寸穩(wěn)定性等特點(diǎn),因此受到了業(yè)界的廣泛關(guān)注,雖然也存在一些未被業(yè)界廣泛認(rèn)可的問(wèn)題,但仍有望成為新型的撓性印制板基材.現(xiàn)將聚酰亞胺(PI),液晶聚合物(1iquidcrystalpolymer,簡(jiǎn)稱LCP)及聚醚醚酮(PEEK)材料的特性及應(yīng)用方面的比較匯集于表5,供應(yīng)用參考.參考文獻(xiàn)【1】林金堵.應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)大的撓性印制板.印制電路信息,2004.4:321Fiore,M.;Honda,K.Recursivetypesingames:axiomaticsandprocessrepresentation,ThirteenthAnnualIEEESymposiumon,1-24June1998(下轉(zhuǎn)第64頁(yè))PrintedCircuitInformation印制電路信息2004No.10.43:撓性印制板;.(2)試驗(yàn)結(jié)果165,r2Omin150/20min):le00循環(huán)(0/40)PCT(I27/2.5atm):48h(0/38)THB(85/85%RH,45V):l0o0h(0124)由此可見(jiàn).預(yù)涂底部填料工藝可以實(shí)現(xiàn)與TCP和R.COF同等的可靠性一圈8采用預(yù)涂底部填料工藝的實(shí)施例6今后展望預(yù)滁底部填料l:藝通過(guò)粘結(jié)工程和底部填料工程同時(shí)進(jìn)行的Ao.Sn金屬結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)如下:(1)如果粘結(jié)器上附加涂布器功能就無(wú)須預(yù)涂底部填料裝置和固化爐,從而可減少設(shè)備投資額.裝置的設(shè)置空間和電力消耗可咀減少到過(guò)去的50%(2)底部填料樹(shù)脂涂布和粘結(jié)同時(shí)進(jìn)行,可以縮(上接第43頁(yè))短_=期,降低成本(3)適應(yīng)于大型Ic或者正方形Ic等過(guò)去難以浸透底部填料樹(shù)脂的制品安裝,可以獲得高連接可靠性(與TCP相同)今后液晶驅(qū)動(dòng)以外的器件也會(huì)利用這些特長(zhǎng).預(yù)計(jì)采用底部填料預(yù)涂工藝的An.Sn接合倒芯片COF技術(shù)將會(huì)得到同行業(yè)界的廣泛認(rèn)知.有望作為同行業(yè)中COF安裝方式的標(biāo)準(zhǔn)而廣泛采用.參考文獻(xiàn)【1赤羽隆行他COFl二打盱壬先ry一7Jr-工法s0nev尹4技銜0開(kāi)發(fā)第l7回工口二,z實(shí)裝學(xué)銜績(jī)蒲火臺(tái)耩演榆文集,工k,1:2二,實(shí)裝會(huì)P167.2003【2M.Chino.Pre-AppliedUnderlilIProcessforCOF.10thKGDPackagingandTestWorkshopPro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