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真空层压机设备厂家江苏迪普告诉你如何选择高速挠性线路的材料

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2019-06-08 作者:admin

以前的挠性线路材料因其较大的介电损耗特点(损耗角正切),不适用于高速应用。这些老材料的介电常数对于高速材料是非常合理的(多数情况下在3.0~3.5之间)。以前,人们认为聚酰亚胺是引起问题的关键。但是,如表1所示,标准挠性线路粘结剂(丙烯酸树脂和环氧树脂)的介电损耗要比聚酰亚胺薄膜的介电损耗大得多。实际上,新研发出的聚酰亚胺配方介电损耗非常小,这就意味着全聚酰亚胺介电层是高速线路材料的良好选择。但并不是所有聚酰亚胺材料都是一样的;有些材料的介电损耗要高于其他材料,对大多数聚合物来说,介电损耗和吸湿程度相关,这一点也适用于聚酰亚胺。因此我们得到一条基本规律:具有较强吸湿性的电介质也会具有较大的介电损耗。

 

表1同样还列出了最近被用来制造高速挠性材料的其他电介质材料。高速刚性板的主要材料——氟聚合物——已经被多家材料供应商加入到挠性材料当中。氟聚合物对任何聚合物类材料都有最低的介电常数和最小的介电损耗。

聚合物

介电常数

损耗角正切

氟聚合物

2

﹤0.001

液晶聚合物

2.9-3.0

0.001-0.002

聚酰亚胺

3.1-3.6

0.003-0.012

丙烯酸胶粘剂

2.9-3.5

0.02-0.03

环氧胶粘剂

3.1-3.7

0.02-0.04

  问题是在单独使用时,纯氟聚合物薄膜的机械性能不够好。一些供应商尝试在挠性应用中使用特殊玻璃纤维织物和氟聚合物混合的方式。还有一些通过添加填充物的方式来提高性能,这种做法在刚性高速材料当中很常见。还有一家供应商用聚合物做内芯,然后包裹上一层氟聚合物材料的覆盖层和粘结剂。这些改进都有助于挠性和机械性能的增强,在一些情况下还能降低加工难度。但是,这些改进也增加了介电常数和介电损耗,所以纯聚合物性能在实际产品中是无法实现的。这些新材料在很多情况下都是高速挠性材料的良好选择。

  液晶聚合物(LCP)同样具有不错的介电性质,损耗低、吸湿性弱。覆箔基材和粘结层都会使用到LC聚合物。而氟聚合物材料同样也应用到了覆箔基材和粘结层当中。

  高速挠性线路所使用的主要覆箔基材是以氟聚合物、液晶聚合物和低损耗全聚酰亚胺结构为基础的。LCP和氟聚合物结构在一些情况下可以作为粘结层和覆盖层。但直到最近人们才能用聚酰亚胺结构作为低损耗覆盖层和粘结层。事实上,低损耗覆盖层一直是最难开发的,直到最近才研发出来。

  新型低损耗热固性粘结剂的出现扩展了高速刚性板的材料选择范围。多种版本的低损耗粘结剂已经可以在挠性线路材料市场买到了,为粘结层和覆盖层提供了更多选择。虽然挠性线路使用的传统粘结剂损耗较大,但这并不意味着所有的热固性粘结剂损耗都比较大。

  表1中,几乎所有聚合物的介电常数都比较低,在真正的挠性材料中这些聚合物的介电常数也保持在一个较低的范围内。虽然较低的介电常数有一些优点,但在选择高速挠性材料时,介电损耗才是最重要的介电性质。介电损耗对整个挠性线路材料的影响要比介电常数大得多。

  在谈论介电损耗和高速受控阻抗线路时,一定要考虑两个因素:线路设计的速度(1 Ghz 或 20 Ghz)和长度。所有的全聚酰亚胺箔基材都是在速度为20 Ghz 、长度为1” 的信号线上使用的。很多时候,这在10”的长度下是不可行的。所以,每项应用的最佳材料应该根据线路的速度和长度来选择。

  使用其中任何一种新材料都需要对我们文中提到的三个方面做出权衡:电气性能、挠性和机械性能以及易加工性。所有的材料供应商都要对这三方面做出权衡,为最终成品选择折中方案。制造商和终端用户双方必须要了解权衡这些内容,并且在充分了解折中方案以后再选择材料。材料选择的底线是——不要只根据电气性能就选择材料;挠性和易加工性对功能性高速挠性线路同样也十分关键。

机械性能和挠性

  大多数传统挠性材料都以牺牲介电性质为代价,以优化其挠性和易加工性。当然,在开发这些早期材料的时候,所谓的“高速”其实还不到1 GHz。找到低损耗聚合物是开发新型挠性线路材料的第一步。

  氟聚合物本身不具备足够的用于挠性箔基材的机械性能。材料供应商使用的策略是通过使用特殊挠性玻璃纤维织物、粒子填料或聚酰亚胺内芯来增强氟聚合物。所有这些材料都增强了氟聚合物的机械性能。玻璃纤维织物和粒子填料会限制覆箔基材或粘结层的可弯曲性,所以给需要在锐角处弯折和/或弯折比率较小的线路应用选材料时,这两种材料不是最佳选择。但它们仍可以用于其他的挠性应用。

  液晶聚合物适用于高速挠性箔基材的独立电介质膜。其机械性能可满足大多数应用的需求。它们的弯折能力可能比不上全聚酰亚胺结构,但也足以满足多数应用的需求。

  全聚酰亚胺介电层是所有备选材料中机械性能最佳、灵活度最强的材料。如果产品对弯折程度的要求很高,那么这种材料是最佳选择。但是,即使是损耗最小的聚酰亚胺层也比大部分氟聚合物和LCP结构的损耗要稍大一些。

  至于粘结层和覆盖层,材料选择就更加复杂了。很多高速材料覆箔基材只能和特定的粘结层一起使用。氟聚合物/聚酰亚胺复合材料主要和具有同样材质的粘结层一起使用。同样,以LCP聚合物为基础材料的覆箔基材也主要和具有同样材质的粘结层一起使用。两种方法都使用需要高温层压的热塑性聚合物薄膜。很多制造商现在都用高温层压机来达到新材料所需温度(270 ℃~ 310℃)。

  低损耗粘结层和覆盖层都与最近才研发出的全聚酰亚胺箔基材兼容。在氟聚合物内芯外面覆上一层低损耗热固性粘结剂是材料选择之一。这种方式已经用全聚酰亚胺箔基材和一些氟聚合物箔基材测试过。其优点之一是热固性粘结剂可在更标准的层压温度下进行层压。

  另一种材料选择非常新颖——全聚酰亚胺粘结层和覆盖层。最初,这种材料与全聚酰亚胺箔基材一起研发用在高温应用。但这种新型粘结薄膜损耗非常低(0.003),和全聚酰亚胺箔基材的损耗值在一个范围内。这种新型粘结层需要高温层压,但这也是目前制造全聚酰亚胺挠性线路的唯一方式。由于这个产品比较新,所以采用的制造商还比较少,但它正在不断壮大。目前为止,全聚酰亚胺结构是制造高速线路的最佳材料选择,但这种材料也需要较强的耐热性能。

  除了氟聚合物/聚酰亚胺复合材料以外,以上提到的所有粘结层材料选择也可用于制造覆盖层。在上文提到了,低损耗覆盖层只是在微带线应用中非常重要。目前使用这些新材料的许多高速挠性线路都是带状线应用,这种情况下只需要低损耗粘结层。

可加工性

  许多新材料的可加工性一直是影响其批量生产的最重要环节。在引入新材料的时候就应该预料到这一点。

  这些新型材料中有好几种都需要高温层压,其中包括氟聚合物/聚酰亚胺复合材料、LCP材料和全聚酰亚胺粘结层。很多制造商现在都用压力机将温度增高到所需的270 ℃~310℃ (520°F~590°F)。但是,较高的温度需要使用新的压垫和更好的温度控制。幸运的是,各种用于高温层压的压垫已经可以在市面上买到了。

  部分氟聚合物材料和所有的LCP材料都在覆箔基材和粘结层上使用了热塑性薄膜。为了更好地使用,覆箔基材的层压温度一定要高于粘结层的层压温度。如果这两层的层压温度太接近,会引起成像层上的线路在层压过程中发生移动(又被称为游动)。这一现象可以通过严格控制层压温度防止,但最好的防止方式是设计出层压温度差值较大的材料。氟聚合物/聚酰亚胺复合材料是在覆箔基材层压温度和粘结层层压温度相差35℃的情况下得到的。对大部分制造商而言这一温差已经足够了。很多新型LCP材料的层压温差已经增大。不论和哪种新型热塑性材料相比较,这一差值永远都是很重要的因素之一。

  在考虑易加工性时,尺寸稳定性是另一个重要因素。首先,蚀刻后的覆箔基材变化程度可能会因为使用了新材料而加剧。如今,全聚酰亚胺结构是最为广泛使用的挠性材料。其他的一些电介质可能变化程度更大,需要不同的图案补偿策略。但大多数材料供应商已经成功在成品中解决了这一问题。

  层压期间,粘结层或覆盖层上线路移动是一个更大的难题。这一问题在使用热塑性电介质和/或需要高温层压时就变得尤为严重了。即使是全聚酰亚胺箔基材,它在300℃温度下层压过后的膨胀体积也要比在190℃的正常温度下层压后的膨胀体积大一些。通过适当的层压工艺控制和积累对变化程度的预测经验,这种变化可以得到控制。

  这些新材料的钻孔和电镀工艺也需要进行优化,尤其是氟聚合物和含有LCP的产品。这两种材料都可以进行钻孔和电镀操作,但是在操作过程中需要对钻孔过程、去钻污和钻孔准备工艺进行优化。

  总而言之,与设计中的任何折衷一样,具有最低损耗和某些情况下最低介电常数的产品更难处理。从制造商的角度来看,如果你能最先熟练掌握新材料的工艺技术,那你就能成为终端用户的第一选择。从一名终端用户(OEM)的角度来看,你应该一直让材料供应商给你推荐制造商。大部分材料供应商会和选定的制造商共同合作,确保可以给早期的终端用户推荐一些成熟的设备。表2显示了这些性能的比较结果。

 

聚酰亚胺

氟聚合物/聚酰亚胺复合材料

氟聚合物芯/热固性粘合剂

液晶聚合物

1GHz介电损耗(损耗角正切)

0.003及高度

0.0015-0.002

0.002

0.0015-0.002

沾合层压温度℃

290-300℃

280-290℃

200℃

280-290℃

尺寸稳定性

一般

一般

一般

钻孔,孔准备和电镀

需要优化

需要优化

需要优化

高速挠性材料的供应商主要来自现有的挠性材料和高速刚性板材料供应商。在北美地区,高速材料的主要开发公司有DuPont公司、Rogers公司和Taconic公司。也有一些低损耗聚酰亚胺材料和LCP材料供应商的生产基地在美国境外,比如Panasonic公司和Ventec International Group。最近,一些新材料已经可以在北美市场和欧洲市场通过代理商购买了。

  另一个可以考虑的选择是将不同材料供应商生产的产品混合使用。挠性线路在材料供应商那里经受检测之后,在制造商那里将一家公司生产的覆箔基材和另一家公司生产的粘结层或覆盖层混合使用。当然,你要确保两者的兼容性接受过测试,而且在订购新的挠性线路之前要对加工程序进行优化。

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