第五章有机基板

自行开发研制
九江市电子材料厂
18μm
安徽省铜陵市铜化集团公司铜箔厂 18μm~35μm
—— 美国Gould
铁岭铜箔厂 上海金宝铜箔有限公司
18μm~35μm 18μm
美国CBI 美国MTI
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② 外观： 表面要求无异物、无铜粉、无变色； 光面(S 面）平滑、不生锈、不变色； 无针孔、渗透孔。
③ 抗张强度与延展率： 表征铜箔机械性能的两项重要指标。它与基材在
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一般环氧玻璃布基的基板材料
① 环氧玻璃布基覆铜箔板 ② 多层PCB生产用基材（内芯薄型环氧玻璃布基
覆铜薄板，环氧玻璃布的半固化片）
环氧玻璃布 基覆铜箔板
(CCL)
NEMA表准
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G-10 G-11 FR-4 FR-5
非阻燃 阻燃
FR-4基材： ① 覆铜箔板增强材料：E型平纹玻璃纤维布（常用
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(e) 低介电常数
有机封装基板一般具有较低的r, 与陶
瓷基材相比，更适用于高频信号的传 输； 提高封装体内信号的传输速度，降低 基材的介电常数。
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五、有机基板的分类：
刚性
挠性
纤维 /树脂
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BUM 复合多 树脂
层板
薄膜
金属/ 树脂
树脂/ 陶瓷
液晶 聚合 物薄 膜
玻璃 布/ 树脂 基薄 型覆 铜板
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FR-4基板生产工艺流程示意图
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树脂体系组成配方
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环氧 – 双氰胺的反应机理
① 双氰胺的活泼H与环氧树脂中的环氧基进行加成反 应；双氰胺的-CN与环氧树脂的HO-反应。
② 2-甲基咪唑中的仲胺与环氧树脂环氧基加成反应。
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① 聚酰亚胺树脂 （polyimide, PI) ② 双马来酰亚胺三嗪树脂 (BT) ③ 聚苯醚树脂 (PPE) ④ 高性能环氧树脂 (EP)
四、电解铜箔产品(按厚度不同）：
厚度符厚度 （ μm）单位面积质量
号
（ g / m2）
主要用途
5
5
9
9
44.6
挠性覆铜板、多层印制电
80.3
路板用薄板
12
12
107
18
18
152
玻璃布基覆铜板（FR-4）
35
35
305
纸基覆铜板(FR-1、FR-2)
70
70
610
低档电子产品（如玩具）
的电子线路板
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二、有机基板的功能：
导电
基板材料所含有的铜箔来实现
绝缘 支撑
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有机树脂
对搭载芯片，组装上的端子、凸块等 提供强度保证，由所含有的树脂、补 强材料或填充料来实现。
三、有机基板材料的发展特点：
(a) 树脂：BT树脂（双马来酰亚胺三嗪树脂）、 PPE树脂（聚苯醚树脂），环氧树脂（FR-4)；
(b) 基板材料品种：由于HDI、BUM的发展，品 种比其它基板用基材的发展更快；
7628、 2116、 1080三种，IPC标准）； ② 铜箔：镀锌或黄铜的电解粗化铜箔（常用规格：
0.018mm、0.035mm、0.070mm) 按厚度规格划分： ① FR-4覆铜刚性板 (0.8-3.2mm) ② FR-4覆铜多层PCB芯部用薄型板(<0.78mm)
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制造一般型FR-4基板材料的化工原料
二甲基甲酰胺(DMF)
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2-甲氧基乙醇 (甲基溶纤剂)
双氰胺固化剂反应活性
4H: 参与与环氧树脂的反应 CN: 高温下与环氧树脂羟基
(OH-)或环氧基反应，具有 催化型固化作用
存在问题： 固化温度较高！（140-170 ºC)
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咪唑：
2-甲基咪唑 (2-MI)
固化促进剂
胺的催化作用，较
低温度下可固化环
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世界铜箔工业发展历史：
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世界范围内铜箔*在各类型印制电路板中大致使用比例 挠性板 4% 纸基板和复合材 料基板 26% 多层板 40%
玻璃布基板 30%
注释：铜箔*包括压延铜箔与电解铜箔
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中国铜箔工业发展历史：
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二、压延铜箔：
工艺：原铜材熔融/铸造铜锭加热回火韧化 刨削去垢在重冷轧重冷轧连续回火韧化去 垢逐片焊合最后轧薄处理回火韧化 切边收卷成毛箔产品粗化
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七、铜箔的发展方向:
铜箔的薄箔化。下游产业对5μm、9μm、12μm 等规格的铜箔需求量在增加；
铜箔M面的低粗化； 铜箔性能多样化。发展低峰谷铜箔、高温时高
延伸性铜箔、双面处理铜箔、耐热铜箔等类型 铜箔，以适应印制电路板对铜箔性能提出的更 高要求。
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八、高档次铜箔:
具有高温下的高延展性 低粗糙度的新型铜箔 高表面清洁度的铜箔 高性能表面粗化处理铜箔
六、有机基板材料的主要原料：
铜箔：压延铜箔、电解铜箔 增强材料：玻璃纤维布、芳香族聚酰 胺纤维无纺布
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一、铜箔的工业概述 二、压延铜箔 三、电解铜箔 四、电解铜箔产品 五、电解铜箔与压延铜箔的分类 六、铜箔性能参数 七、铜箔的发展方向 八、高档次铜箔
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一、铜箔的工业概述：
广义：铜箔指厚度不大于0.15毫米的纯铜及铜 合金加工产品。 狭义：印制电路板用的导体一般都是制成薄箔 状的精炼铜，即狭义上的铜箔。 压延铜箔更多得用作建筑装饰材料； 电解铜箔95%以上用于PCB基材的制。
氧树脂，得到耐热
2-乙基-4-甲基咪唑 性、力学性能优良
(2E4-MI)
的固化物。
苄基二甲胺：
易溶于乙醇，难溶于水 液体
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溶剂
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FR-4基板材料制造工艺技术
基板配方：
溴化环氧树脂 环氧树脂固化剂 固化促进剂 溶剂
低溴，双酚A型 双氰胺 2-甲基咪唑（苄基二甲胺） (DMF, DMA, EGME)
第五章 有机基板
一、有机基板的概念与内涵 二、有机基板的功能 三、有机基板材料的发展特点 四、有机基板材料的性能要求 五、有机基板的分类 六、有机基板材料的主要原料
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一、有机基板的概念：
一般是指制造电子封装基板、制造搭载电子 元器件的母板的基础材料。 粘合剂：有机树脂； 增强材料：玻璃纤维布； 采用传统的工艺法所制成。
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一、聚酰亚胺树脂的基板材料
1、概述 PI是主键中含有酰亚胺环状结构的
环链高聚物。
芳香族
二酐 +
非离子极性
溶剂 聚酰胺酸 脱水 PI
二胺
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1908：Bogert和Renshaw首创PI 1940’s: 专利 1960’s: 工业化（航空航天） 1980’s: 电子产品 高耐热性：Tg = 200-230 ºC 低介电常数： ε = 3.3-3.6
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一、玻璃纤维布 二、芳酰胺纤维无纺布
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一、玻璃纤维布:
玻璃纤维布： 简称玻璃布，由玻璃纤维纺织而成； 用于PCB的玻璃布基基板材料常为电子级（E级）
玻璃布。
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电子玻璃布成分： 铝硼硅酸盐，碱金属含量 < 0.8% （JIS标准）
SiO2: 53% ~ 56%; Al2O3: 14~18%; CaO: 20 % ~ 24 %; MgO: < 1%; R2O (Na2O + K2O): < 1%; B2O3: 5% ~10%
符号 STD-Type E HD-Type E
TTE-Type E
ANN-Type E AR-Type W LCR-Type W ANN-Type W LTA-Type W
中文表述 普通电解铜箔
高延展性电解铜箔 （室温下） 高温高延展性电解 铜箔（180℃下）
退火铜箔 冷轧压延铜箔 轻冷轧压延铜箔 退火压延铜箔 低温退火压延铜箔
溴化环氧树脂 环氧树脂固化剂 固化促进剂 溶剂
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溴化环氧树脂
苛性钠水溶液
双酚A型环氧树脂
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柔韧性
耐药性
反应性
反应性
强韧性 耐热性
粘结性 反应性
耐热性 刚性
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低溴环氧树脂 (18-22%)
高溴环氧树脂 (40-48%)
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双氰胺 难溶于环氧树脂 白色晶体，熔点（207-209 ºC)
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电子玻璃布性能标准参数： ① 经/纬纱的种类 ② 织布的密度（经/纬纱单位长度的根数） ③ 厚度 ④ 幅宽 ⑤ 断裂强度（抗张强度）
PCB用基材所用的玻璃布采用平纹 布，比其它织法的玻璃布（斜纹、
缎纹等）具有断裂强度大、尺寸稳
定好、不易变形、重量厚度均匀）
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平纹玻璃布 缎纹玻璃布
二、芳酰胺纤维无纺布:
一定温度加工，若热态延展性能不好，易发生铜箔 断裂。
④ 剥离强度： 铜箔与基材在高温高压条件下压制加工后，它们
之间的粘结强度，称为铜箔剥离强度（抗剥强度）
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⑤ 耐折性： 挠性基板表征的重要参数
⑥ 表面粗糙度：
⑦ 质量电阻率： 铜箔的电阻用质量电阻率表示，影响PCB信号传输 速度。
⑧ 蚀刻率：
⑨ 抗高温氧化性： JIS标准，在 180 ℃热空气中处理30min, 观察光面 颜色是否变化。
PCB用芳酰胺纤维的优点:
① 高红外吸收率，CO2激光制微小孔； ② 低热膨胀系数，基板尺寸稳定性，HDI可靠性； ③ 高玻璃化温度(PPTA芳酰胺纤维，Tg = 345 ºC）； ④ 低介电常数(3.5-3.7MHz: 为E型玻璃纤维的1/2); ⑤ 高的强度和弹性模量； ⑥ 耐化学药品(普通有机溶剂、盐类溶液）； ⑦ 表面平滑。
芳香族聚酰胺（aramid), 简称芳酰胺，酰胺键直 接与两个芳环连接而成的线型聚合物。
此聚合物制成的纤维称为芳酰胺纤维。
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芳酰胺纤维无纺布的分类:
对位型 聚对苯二甲酰对苯二胺 PPTA （产量最大、应用最广） 杜邦：Kevlar
间位型 聚间苯二甲酰对苯二胺 PPIA
Technora纤维
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① 粗化处理：在毛面上镀铜形成 许多凸出的小突点，再在小突 点上镀一层铜封闭，达到“固 化作用”，使其与毛面底基牢 固结合
② 耐热钝化： 在粗化层上镀一层 薄层单一金属或合金（二元/三 元）， 如： 黄铜、锌、镍锌、镍-钴等。
③ 防氧化钝化、光面：在钝化层 喷涂、涂敷有机物等，形成耦 合层。
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特点：耐折性优良、弹性模量高、延展性好、适用 于挠性覆铜板； 纯度高，表面比电解铜箔平滑，有利于信号快 速传输。
缺点：价格贵，幅宽有限(<65cm)。
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三、电解铜箔：
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Cu Cu2+
① 造液槽中，加入硫酸和铜料; ② 在加热条件下（~70 ºC) 化学反应; ③ 过滤; ④ 生成CuSO4溶液; ⑤ 用泵抽入电解槽。
(c) 前研技术：高性能（高Tg、低、低α）、高 可靠性、低成本；绿色化。
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四、有机基板材料的性能要求：
(a) 与陶瓷基板材料相比的优点： 不需要高温烧结，节省能源； 低，有利于信号高速传输； 易加工，可制作大型基板； 易实现微细图形电路加工； 易于大批量生产，降低成本。
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(b) 高耐热性 高玻璃化温度(Tg); 提高封装的耐再流焊性； 提高通孔的可靠性； 热冲击、超声波作用下的金属线压焊 时，基板保持稳定的物理特性（平整 性、尺寸稳定性、稳定弹性率、硬度 变化）。
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(c) 高耐吸湿性 有机树脂在高湿条件下比陶瓷材料更 易吸湿度； “爆玉米花”(popcorn)现象： 由于基板材料吸湿量较大，而造成在 微组装时基板与半导体芯片的界面等 易产生“爆玉米花”似的剥离问题。 封装基板残留的水，通过加热产生水 蒸气，因急剧膨胀造成封装体破坏。
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(d) 低热膨胀性 理想的封装基材：α < 8×10-6/ºC； 半导体芯片与基板的热膨胀系数相差 过大，在温度变化时，它们之间产生 较大的应力。 为了保证封装基板微细电路的精度， 选用低热膨胀系数的基材。
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五、电解铜箔与压延铜箔的分类:
英文表述 1-Standard electrodeposited 2-High ductility electrodeposited
3-High temperature elongation electrodeposited 4-Annealed electrodeposited 5-As rolled-wrought 6-Light cold rolled-wrought 7-Annealed-wrought 8-As rolled-wrought low-temperature annealable
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光面 (Shing)
S: PCB电路面 (阴极辊表面抛光精度 与质量、辊表面的维 毛面 护、杂物清除)
(Matt) M: PCB与基材结合 的面
阴极：Cu2+ + 2e = Cu 阳极: 4OH- - 4e = 2H2O + O2
(CuSO4溶液加工的质 量、添加剂、电流密
度、转速)
总：CuSO4 + 2H2O = 2Cu + O2+ 2H2SO4
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六、铜箔性能参数:
① 厚度：
企业名称
可达到的产品技术水平 技术来源
苏州福田金属有限公司 联合铜箔(惠州)有限公司
12μm~70μm / 高温高延展 日本福田 性铜箔
18μm
美国Yates
合正铜箔（惠阳）有限公司 18μm
台湾
招远金宝电子有限公司
18~70μm
自行开发研制
本溪合金有限责任公司
15μm~50μm