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  • 無鹵素印刷電路板(PCB)的製作
    發布時間:2010-7-7

        隨著環境保護的呼聲的高漲,PCB 行業越來越重視對環保材料的開發、三廢處理的控製以及環保製程的研究。目前主要的研究集中在以下三個方麵:1.環保基材和半固化片的研究。2. 環保化製程和表麵處理(Solder Mask、OSP)的研究。3.針對無鉛要求而進行的耐高溫材料和表麵處理的研究。


        本文主要針對環保材料在 PCB 製程中的應用進行初步的探索。一般而言,在環氧樹脂中加入阻燃劑的方式主要有反應型和摻合型兩種。採用摻合型的耐燃劑,雖然加工容易及成本較低,但與基材的結合力為物理作用力,而且要考慮到相容性問題和漂移後流失的影響,需要較高的添加量,對材料本身性質的影響較大且會汙染PCB 後段製程。此類材料主要由金屬氧化物或氫氧化物等,主要是借助於吸收熱量及放出水氣稀釋氧氣與形成固相保護層阻絕熱源等方式來達到耐熱、阻燃效果,此類化合物具有低發煙及低毒性的特點。反應型的阻燃材料採用化學反應將阻燃劑與環氧樹脂利用化學鍵的方式結合起來,具有較持久的耐熱和較佳的耐燃效果。傳統的反應型阻燃劑是採用鹵素係,因為它具有較好的阻燃性能和較低的成本以及成熟的製造工藝。但,用此的PCB 在500~700℃焚燒時會產生對環境有危害的化學物質;因而隨著環保要求的提高,近年來PCB 無鹵化的呼聲越來越高。磷氮係以聚磷酸酯胺為主。這類產品主要通過捕捉氫自由基(H)和氫氧自由基(HO)形成不燃性或安定性氣體而延遲或阻止燃燒的進一步進行。下麵就無鹵係的阻燃材料(以磷--氮協同體係高分子阻燃劑為例)與鹵係的阻燃材料的性能以及在PCB 中的製造中的應用加以分析比較。

     

    1.無鹵材料特能:
    1.1 吸水性能
    無鹵材料的吸水率比普通環氧樹脂要低,其主要原因是:由於氮磷係的環氧樹脂材料中N 和P的孤對電子相對鹵素而言較少,其與水中氫原子形成氫鍵的幾率要低於鹵素材料,因而其材料的吸水率低於常規鹵素係阻燃材料。降低材料的吸水率將對材料在下列方麵產生一定影響:
    Ⅰ. 提高材料的可靠性。
    Ⅱ. 提高材料在PCB 製作過程中的穩定性。
    Ⅲ. 改善材料的CAF 性能。


    1.2.介電常數
    影響材料的介電常數的因素主要由下麵幾個因素決定的:玻璃纖維的介電常數、環氧樹脂以及填充劑。由於採用 P 或N 來取代鹵素原子因而整個環氧樹脂的極性將在一定程度上的降低,因而無鹵
    環氧樹脂的電絕緣性將優於鹵素係環氧樹脂,表現在介電損耗將低於常規材料。


    1.3.材料的絕緣性能
    採用無鹵環氧樹脂可以在一定程度上改善常規環氧樹脂的的分子鏈段的極性,從而提高介質的絕緣電阻和抗擊穿能力。


    1.4.耐離子遷移(CAF)性能
    基材中的離子遷移的主要來源於以下三個方麵:1.銅金屬陽離子。2.鹵素陰離子。3.氨陽離子。其中鹵素離子不僅自身可以發生遷移作用而且可以與二價銅離子發生協同作用而增加發生離子遷移的可能性。無鹵材料消除了在合成過程中殘留可水解的鹵的可能性,從而提高了耐離子遷移性能。同時,由於無鹵化環氧樹脂的吸水率較低,在一定程度上降低了離子產生的根源從而改善了材料的抗CAF 性能。

     

    2.製造性能的比較
    2.1 蝕刻
    由於無鹵環氧樹脂的流動度較差與銅箔介麵的相互滲透的能力較差,因而無鹵材料的基板的銅箔的剝離強度較差。與常規材料相比無鹵材料為了增強銅箔與樹脂的結合力,在壓合過程中增大了壓合的壓力,這樣導致有部分的銅嵌入樹脂的深度較深,如圖2(A)所示,在蝕刻製程中容易產生蝕刻未淨的現象,(星點露銅)如圖2(B)所示。為了解決這一問題,往往採用增加工作底片上導線寬度的加放量並適當的調整蝕刻速率的方法來加以改善,圖2(C)為改善後的結果。


    2.2 層壓
    求其中氮磷的含量大於常規的鹵係阻燃材料中鹵素的含量,從而導致其聚合度和聚合物的分子量均將有所增大所以無鹵化的環氧樹脂在受熱後分子鏈的運動較常規材料的分子運動慢,表現在在相同條件下無鹵材料的流動度將低於常規環氧樹脂的流動度。圖3 為X公司的無鹵材料和常規的材料的粘度隨溫度變化的關係圖:虛線為無鹵材料,實線為常規材料。從圖中可以看出:設定粘度小於2500Pa.s 為可操作視窗,常規材料與無鹵材料相比具有更大的可操作視窗。


    2.3 鑽孔電鍍
    無鹵材料由於採用了 P、N 係列官能團增大了分子量同時增強了分子鍵的剛性,因而無鹵材料具有較高的楊氏模量,增加了材料的剛性和脆性。同時無鹵材料的Tg 點高於相同型號的常規材料的Tg,因而在進行機械鑽孔時需要適當的提高鑽刀的轉速並降低鑽刀的給進速度以確保孔壁粗糙度。在水平去膠渣製程中,需要根據無鹵材料的特點適當的延長膨脹反應時間,增加孔壁粗糙度,改善電鍍銅與孔壁的結合力。


    2.4 鐳射鑽孔
    在相同的鐳射鑽孔的工藝條件下針對無鹵材料和常規材料進行了比較發現:在鑽孔後無鹵材料的孔壁粗糙度和垂直度均不如常規材料,這一點在電鍍以後可以更為突出,如圖5 所示。因而需要適當增加無鹵材料的鐳射鑽孔的脈衝能量和數量。


    2.5 阻焊製作
    無鹵化阻焊油墨中固化劑固含量較高(以C 公司為例:常規為15%無鹵材料為30%)因而其粘度較大流動度較小,在印刷時需要增大刮刀的壓力並調整網版的目數。在一定條件下可以採用一定量的稀釋溶劑進行稀釋增加油墨的流動度。


    2.6 阻抗製作
    低頻率下(小於等於1.5GHZ),兩種材料的介電常數受熱衝擊的影響較小且在一定程度上有所下降。當測試頻率達到一定值(1.8GHZ)後,兩種材料受熱衝擊的影響發生的明顯不同的變化;無鹵材料的介電常數明顯降低並且熱衝擊後起伏較小,而常規材料的介電常數則隨著熱衝擊次數的增加而有較大的增加。由此可見,無鹵材料可以避免在PCB 製程中的多次熱衝擊對材料介電常數的影響,有利於特性或差動阻抗的控製。無鹵材料由於介電常數較高,同時壓合後介質厚度比常規材料的偏厚,因而在進行阻抗控製特別是特性和差動阻抗的控製時將會在一定程度上增加阻抗值。在設計導線線寬時需要適當進行補償。


    3.無鹵PCB 的特點和應用
    無鹵化 PCB 具有以下一些特點:1. Tg 高與常規的PCB 板。2. 有較低的吸水率和較高的穩定性。3. 更加適應環保的要求。4. 適合阻抗板的製作。因此無鹵PCB 板在有環保和無鉛化要求的環境中得到越來越多的應用。首先無鹵PCB 應用在醫療這類環保要求較高的領域,其次在手機、汽車等方麵受到了越來越多的的應用。最近,越來越多的電子產品的企業更加關注無鹵PCB 的應用,例如日本Sony 對其產品中提出了採用無鹵化多層板和HDI 板的要求。

     

    4.結論
    P、N 係列的無鹵環氧樹脂由於採用了P、N 來取代鹵素,降低了高分子鏈的極性同時提高了分子量,因而表現出了一些與常規環氧樹脂不同的特性:無鹵材料提高了PCB 板的熱穩定性和可靠性;提高了介電常數的穩定性以及絕緣性能;同時也降低了材料的流動性和結合力提高了材料的Tg。由於無鹵材料性能上的變化引起了在 PCB 製作流程中的差異主要表現在:
    1. 圖形轉移中工作底片的調整。
    2. 層壓操作視窗的範圍和控製方法。
    3. 鑽孔時工藝參數的調整。
    4. 阻焊製作中阻焊劑的調製。
    無鹵材料的引入雖然需要在 PCB 的製造進行適當的調整,但是無鹵化PCB 具有以下一些特點:1.Tg 高與常規的PCB 板。2.有較低的吸水率和較高的穩定性。3.更加適應環保的要求。4.適合阻抗板的製作。因而將會受到越來越多的製造業者的重視。

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