无卤高频碳氢覆铜板的设计及性能研究

秦伟峰 刘俊秀 陈长浩 栾好帅

（山东金宝电子有限公司，山东 招远 265400）

0 引言

覆铜板（copper clad laminate，CCL）是将增强材料、树脂、填料、固化剂等原料，通过一定的工艺流程，一面或者两面覆盖铜箔，经过热压合后制作形成的一种板材［1-2］，也是印制电路板（printed circuit board，PCB）的基板。随着信息产业和电子工业的发展，数字电路逐渐步入信号传输高速化、高频化阶段，为处理大容量的信息，整个电子系统向高频化的方向发展，因此对电路基板材料提出了高频率、高速率、多合一、小型化、轻量化、多功能、高可靠性等要求［3-5］。

传统环氧树脂基板价格便宜、工艺成熟，在5G 时代到来之前一直是市场的主流，但其高介电常数（Dk）、高介电损耗（Df）无法满足现有市场的需求。聚苯醚具有低极性、高耐热等优良性能，但其应用存在的困难在于分子量太大的聚苯醚流动性差且不易加工成型。改性聚苯醚能很好地解决以上难点，但改性聚苯醚分子量分布不易控制，如分子量过大，得到的电路基板一致性差，分子量过小，得到的电路基板耐热性差［6-7］。常用的聚四氟乙烯具有最优异的介电性能，Dk和Df都较低，但其热膨胀系数（coefficient of thermal expansion，CTE）较高，与铜箔的黏结强度低，加工性也较差［8-10］。

碳氢树脂因为介电性能优异、加工性好和吸水率低，逐渐走入人们的视野。但是，碳氢聚合物CCL 有剥离强度低、CTE 大等［11-12］技术难点。因此，本文针对现有技术存在的不足，开发兼具较高剥离强度、低CTE、低Dk和低Df的无卤型高频碳氢CCL。

1 研发实验

1.1 主要实验原料

聚丁二烯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物、双环戊二烯苯酚环氧树脂、2，3-二甲基-2，3-二苯基丁烷、二叔丁基过氧化异丙基苯、活性酯固化剂、六苯氧基环三磷腈、间苯二酚双二（2，6-二甲基苯基）磷酸酯、二氧化硅、甲苯、丁酮和丙二醇单甲醚。

1.2 主要实验仪器

DZC-5 型剥离强度试验机（广州正业科技股份有限公司）、ASID-NJ11 型凝胶化时间测试仪（广州正业科技股份有限公司）、WK-310型水平垂直燃烧测定仪（常州文昌测控系统有限公司）、Q2000 型差示扫描量热仪（美国TA 仪器），Q400型热机械分析仪（thermomechanical analysis，TMA）（美国TA 仪器），N5224B 型矢量网络分析仪（network analyzers，NA）（美国Keysight）。

1.3 覆铜板的制备工艺和流程

步骤1：树脂组合物的制备。聚丁二烯（数均分子量2 000～7 000）100份、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物（数均分子量7 000～80 000）50 份、引发剂（2，3-二甲基-2，3-二苯基丁烷：二叔丁基过氧化异丙基苯=1∶1）6 份、双环戊二烯苯酚环氧树脂30 份、活性酯固化剂5 份、无卤阻燃剂（六苯氧基环三磷腈∶间苯二酚双二（2，6-二甲基苯基）磷酸酯=1∶1）50 份、熔融硅微粉（粒径1 μm∶2 μm∶3 μm=1∶1∶1）60 份以及80 份甲苯、20 份丁酮、10 份丙二醇单甲醚混合均匀，制得胶液；所得胶液为固含量45%～75%的树脂溶液。

步骤2：半固化片的制备。将步骤1 制得的胶液涂覆在2116 型电子级玻璃布上，在160 ℃烘箱内烘烤5 min，制得半固化片。

步骤3：覆铜板的制备。取步骤2 制得的2～8 张半固化片叠加在一起，在其双面各覆有一张高频超低轮廓（high volumn low pressure，HVLP）铜箔，在压力为1.8 MPa、温度为255 ℃条件下，热压260 min，冷却制得无卤型高频碳氢覆铜板。

1.4 覆铜板的测试方法

（1）凝胶化时间（gelation time，GT）：拉丝法，凝胶化时间测试仪。

（2）剥离强度测试：按照IPC TM—650 标准节2.4.8“覆铜板剥离强度”的测试方法进行测试。

（3）燃烧性测试：参照美国UL-94 标准的垂直燃烧法进行测试和等级划分。

（4）玻璃化转变温度（Tg）：采用差示扫描量热（differential scanning calorimetry，DSC）仪器，升温速率20 ℃/min，氮气气氛。

（5）CTE：按照IPC TM—650标准节2.4.24的方法进行，测试印刷板或绝缘基材的Z轴CTE。

（6）热分层时间：按照IPC TM—650 标准节2.4.24.1得方法进行测定。

（7）Dk、Df因数：按照IPC TM—650 标准节2.5.5相关测试方法进行。

2 结果与讨论

2.1 无卤型高频碳氢覆铜板的基本性能

为使研发板材的性能达到设计要求，本文经过多次小测试，并不断优化调整配方和工艺，最终确定胶液体系中各物料质量百分比。研发的无卤型高频碳氢CCL 具有优异的综合性能，具体参数见表1。

表1 无卤型高频碳氢CCL

2.2 CCL的耐热性分析

在PCB 上安装元器件，经过波峰焊或者回流焊过程，如果板材的耐热性能不好，则会导致制备的PCB 在受到热冲击后出现膨胀、分层、起泡或者翘曲过大等问题，并使元器件的安装质量下降或者报废。

开发板材的耐热性相关测试结果，如图1—图4所示。由图1可知，本文所研发的覆铜板具有较高的玻璃化转变温度，Tg值（DSC）为210.04～210.62 ℃；由图2 可知，开发板材具有较低的热膨胀系数，其中α1为28.62 μm/（m·℃）、α2为152.5 μm/（m·℃），Z-CTE（50～260 ℃）的膨胀百分比为1.72%，说明板材具有较高的尺寸稳定性，有利于其在PCB加工过程中的顺利定位。

图1 板材Tg的DSC测试曲线

图2 开发板材的Z-CTE 测试曲线（TMA）

此外，由图3可知，开发板材具有较高的热分解温度，Td（5% loss）高达405.16 ℃；由图4 可知，该覆铜板还具有较长的热分层时间，T300≥120 min，说明板材具有优异的耐热性能，有助于板材满足无铅回流焊制程及后续PCB加工要求。

图3 开发板材的Td测试曲线

图4 开发板材的T300测试曲线（TMA）

2.3 覆铜板的介电性能分析

本文采用平板电容法来测试CCL 的Dk和Df，结果见表2。由表2可知，开发板材在不同测试频率下均表现出优异的介电性能，能满足高频领用的使用要求。

表2 开发板材的介电性能指标

2.4 开发板材应用

2.4.1 多层板耐热性

本研究设计的PCB 模型为26 层，将PCB 做6次260 ℃无铅回流焊处理后，制作切片对开发板材内部形貌进行观察，如图5所示。

图5 PCB回流焊后显微图中

由图5 可知，PCB 在完成6 次260 ℃无铅回流焊处理后，均无裂缝、分层或者爆板等缺陷，芯吸为15.2 μm、玻纤发白为43.0 μm、孔粗为13.1 μm均优于合格值，表现出良好的耐热性和可靠性。

2.4.2 耐离子迁移测试（CAF）

开发板材耐离子迁移测试（conductive anodic filament，CAF）如图6 所示，性能测试模型为26L 多层板，测试条件为温度85 ℃、湿度85%、电压100 V。从图中可以看出，在经过500 h 的测试后，4 种节距的通道其电阻均在108Ω 以上，CAF性能良好。

图6 开发板材CAF测试曲线

3 结语

本文研发了一种无卤型高频碳氢CCL，该板材具有高耐热、低Z轴CTE、低Dk以及良好的机械加工性等优点，依此制备的高多层PCB 在耐热性、CAF等方面性能表现优异，在5G通信、服务器、车载毫米波雷达、物联网、汽车电子等领域的高多层高频线路板中具有广阔的应用前景。