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真空層壓機設備廠家恒盛機電告訴你如何選擇高速撓性線路的材料
發布日期:2017-11-17 關注次數:1434

 以前的撓性線路材料因其較大的介電損耗特點(損耗角正切),不適用于高速應用。這些老材料的介電常數對于高速材料是非常合理的(多數情況下在3.0~3.5之間)。以前,人們認為聚酰亞胺是引起問題的關鍵。但是,如表1所示,標準撓性線路粘結劑(丙烯酸樹脂和環氧樹脂)的介電損耗要比聚酰亞胺薄膜的介電損耗大得多。實際上,新研發出的聚酰亞胺配方介電損耗非常小,這就意味著全聚酰亞胺介電層是高速線路材料的良好選擇。但并不是所有聚酰亞胺材料都是一樣的;有些材料的介電損耗要高于其他材料,對大多數聚合物來說,介電損耗和吸濕程度相關,這一點也適用于聚酰亞胺。因此我們得到一條基本規律:具有較強吸濕性的電介質也會具有較大的介電損耗。

  表1同樣還列出了最近被用來制造高速撓性材料的其他電介質材料。高速剛性板的主要材料——氟聚合物——已經被多家材料供應商加入到撓性材料當中。氟聚合物對任何聚合物類材料都有最低的介電常數和最小的介電損耗。

聚合物

介電常數

損耗角正切

氟聚合物

2

0.001

液晶聚合物

2.9-3.0

0.001-0.002

聚酰亞胺

3.1-3.6

0.003-0.012

丙烯酸膠粘劑

2.9-3.5

0.02-0.03

環氧膠粘劑

3.1-3.7

0.02-0.04

  問題是在單獨使用時,純氟聚合物薄膜的機械性能不夠好。一些供應商嘗試在撓性應用中使用特殊玻璃纖維織物和氟聚合物混合的方式。還有一些通過添加填充物的方式來提高性能,這種做法在剛性高速材料當中很常見。還有一家供應商用聚合物做內芯,然后包裹上一層氟聚合物材料的覆蓋層和粘結劑。這些改進都有助于撓性和機械性能的增強,在一些情況下還能降低加工難度。但是,這些改進也增加了介電常數和介電損耗,所以純聚合物性能在實際產品中是無法實現的。這些新材料在很多情況下都是高速撓性材料的良好選擇。

  液晶聚合物(LCP)同樣具有不錯的介電性質,損耗低、吸濕性弱。覆箔基材和粘結層都會使用到LC聚合物。而氟聚合物材料同樣也應用到了覆箔基材和粘結層當中。

  高速撓性線路所使用的主要覆箔基材是以氟聚合物、液晶聚合物和低損耗全聚酰亞胺結構為基礎的。LCP和氟聚合物結構在一些情況下可以作為粘結層和覆蓋層。但直到最近人們才能用聚酰亞胺結構作為低損耗覆蓋層和粘結層。事實上,低損耗覆蓋層一直是最難開發的,直到最近才研發出來。

  新型低損耗熱固性粘結劑的出現擴展了高速剛性板的材料選擇范圍。多種版本的低損耗粘結劑已經可以在撓性線路材料市場買到了,為粘結層和覆蓋層提供了更多選擇。雖然撓性線路使用的傳統粘結劑損耗較大,但這并不意味著所有的熱固性粘結劑損耗都比較大。

  表1中,幾乎所有聚合物的介電常數都比較低,在真正的撓性材料中這些聚合物的介電常數也保持在一個較低的范圍內。雖然較低的介電常數有一些優點,但在選擇高速撓性材料時,介電損耗才是最重要的介電性質。介電損耗對整個撓性線路材料的影響要比介電常數大得多。

  在談論介電損耗和高速受控阻抗線路時,一定要考慮兩個因素:線路設計的速度(1 Ghz  20 Ghz)和長度。所有的全聚酰亞胺箔基材都是在速度為20 Ghz 、長度為1” 的信號線上使用的。很多時候,這在10”的長度下是不可行的。所以,每項應用的最佳材料應該根據線路的速度和長度來選擇。

  使用其中任何一種新材料都需要對我們文中提到的三個方面做出權衡:電氣性能、撓性和機械性能以及易加工性。所有的材料供應商都要對這三方面做出權衡,為最終成品選擇折中方案。制造商和終端用戶雙方必須要了解權衡這些內容,并且在充分了解折中方案以后再選擇材料。材料選擇的底線是——不要只根據電氣性能就選擇材料;撓性和易加工性對功能性高速撓性線路同樣也十分關鍵。

機械性能和撓性

  大多數傳統撓性材料都以犧牲介電性質為代價,以優化其撓性和易加工性。當然,在開發這些早期材料的時候,所謂的“高速”其實還不到1 GHz。找到低損耗聚合物是開發新型撓性線路材料的第一步。

  氟聚合物本身不具備足夠的用于撓性箔基材的機械性能。材料供應商使用的策略是通過使用特殊撓性玻璃纖維織物、粒子填料或聚酰亞胺內芯來增強氟聚合物。所有這些材料都增強了氟聚合物的機械性能。玻璃纖維織物和粒子填料會限制覆箔基材或粘結層的可彎曲性,所以給需要在銳角處彎折和/或彎折比率較小的線路應用選材料時,這兩種材料不是最佳選擇。但它們仍可以用于其他的撓性應用。

  液晶聚合物適用于高速撓性箔基材的獨立電介質膜。其機械性能可滿足大多數應用的需求。它們的彎折能力可能比不上全聚酰亞胺結構,但也足以滿足多數應用的需求。

  全聚酰亞胺介電層是所有備選材料中機械性能最佳、靈活度最強的材料。如果產品對彎折程度的要求很高,那么這種材料是最佳選擇。但是,即使是損耗最小的聚酰亞胺層也比大部分氟聚合物和LCP結構的損耗要稍大一些。

  至于粘結層和覆蓋層,材料選擇就更加復雜了。很多高速材料覆箔基材只能和特定的粘結層一起使用。氟聚合物/聚酰亞胺復合材料主要和具有同樣材質的粘結層一起使用。同樣,以LCP聚合物為基礎材料的覆箔基材也主要和具有同樣材質的粘結層一起使用。兩種方法都使用需要高溫層壓的熱塑性聚合物薄膜。很多制造商現在都用高溫層壓機來達到新材料所需溫度(270 ~ 310℃)。

  低損耗粘結層和覆蓋層都與最近才研發出的全聚酰亞胺箔基材兼容。在氟聚合物內芯外面覆上一層低損耗熱固性粘結劑是材料選擇之一。這種方式已經用全聚酰亞胺箔基材和一些氟聚合物箔基材測試過。其優點之一是熱固性粘結劑可在更標準的層壓溫度下進行層壓。

  另一種材料選擇非常新穎——全聚酰亞胺粘結層和覆蓋層。最初,這種材料與全聚酰亞胺箔基材一起研發用在高溫應用。但這種新型粘結薄膜損耗非常低(0.003),和全聚酰亞胺箔基材的損耗值在一個范圍內。這種新型粘結層需要高溫層壓,但這也是目前制造全聚酰亞胺撓性線路的唯一方式。由于這個產品比較新,所以采用的制造商還比較少,但它正在不斷壯大。目前為止,全聚酰亞胺結構是制造高速線路的最佳材料選擇,但這種材料也需要較強的耐熱性能。

  除了氟聚合物/聚酰亞胺復合材料以外,以上提到的所有粘結層材料選擇也可用于制造覆蓋層。在上文提到了,低損耗覆蓋層只是在微帶線應用中非常重要。目前使用這些新材料的許多高速撓性線路都是帶狀線應用,這種情況下只需要低損耗粘結層。

可加工性

  許多新材料的可加工性一直是影響其批量生產的最重要環節。在引入新材料的時候就應該預料到這一點。

  這些新型材料中有好幾種都需要高溫層壓,其中包括氟聚合物/聚酰亞胺復合材料、LCP材料和全聚酰亞胺粘結層。很多制造商現在都用壓力機將溫度增高到所需的270 ~310 (520°F~590°F)。但是,較高的溫度需要使用新的壓墊和更好的溫度控制。幸運的是,各種用于高溫層壓的壓墊已經可以在市面上買到了。

  部分氟聚合物材料和所有的LCP材料都在覆箔基材和粘結層上使用了熱塑性薄膜。為了更好地使用,覆箔基材的層壓溫度一定要高于粘結層的層壓溫度。如果這兩層的層壓溫度太接近,會引起成像層上的線路在層壓過程中發生移動(又被稱為游動)。這一現象可以通過嚴格控制層壓溫度防止,但最好的防止方式是設計出層壓溫度差值較大的材料。氟聚合物/聚酰亞胺復合材料是在覆箔基材層壓溫度和粘結層層壓溫度相差35℃的情況下得到的。對大部分制造商而言這一溫差已經足夠了。很多新型LCP材料的層壓溫差已經增大。不論和哪種新型熱塑性材料相比較,這一差值永遠都是很重要的因素之一。

  在考慮易加工性時,尺寸穩定性是另一個重要因素。首先,蝕刻后的覆箔基材變化程度可能會因為使用了新材料而加劇。如今,全聚酰亞胺結構是最為廣泛使用的撓性材料。其他的一些電介質可能變化程度更大,需要不同的圖案補償策略。但大多數材料供應商已經成功在成品中解決了這一問題。

  層壓期間,粘結層或覆蓋層上線路移動是一個更大的難題。這一問題在使用熱塑性電介質和/或需要高溫層壓時就變得尤為嚴重了。即使是全聚酰亞胺箔基材,它在300℃溫度下層壓過后的膨脹體積也要比在190℃的正常溫度下層壓后的膨脹體積大一些。通過適當的層壓工藝控制和積累對變化程度的預測經驗,這種變化可以得到控制。

  這些新材料的鉆孔和電鍍工藝也需要進行優化,尤其是氟聚合物和含有LCP的產品。這兩種材料都可以進行鉆孔和電鍍操作,但是在操作過程中需要對鉆孔過程、去鉆污和鉆孔準備工藝進行優化。

  總而言之,與設計中的任何折衷一樣,具有最低損耗和某些情況下最低介電常數的產品更難處理。從制造商的角度來看,如果你能最先熟練掌握新材料的工藝技術,那你就能成為終端用戶的第一選擇。從一名終端用戶(OEM)的角度來看,你應該一直讓材料供應商給你推薦制造商。大部分材料供應商會和選定的制造商共同合作,確?梢越o早期的終端用戶推薦一些成熟的設備。表2顯示了這些性能的比較結果。

聚酰亞胺

氟聚合物/聚酰亞胺復合材料

氟聚合物芯/熱固性粘合劑

液晶聚合物

1GHz介電損耗(損耗角正切)

0.003及高度

0.0015-0.002

0.002

0.0015-0.002

沾合層壓溫度℃

290-300

280-290

200

280-290

尺寸穩定性

一般

一般

一般

鉆孔,孔準備和電鍍

需要優化

需要優化

需要優化

供應商

  高速撓性材料的供應商主要來自現有的撓性材料和高速剛性板材料供應商。在北美地區,高速材料的主要開發公司有DuPont公司、Rogers公司和Taconic公司。也有一些低損耗聚酰亞胺材料和LCP材料供應商的生產基地在美國境外,比如Panasonic公司和Ventec International Group。最近,一些新材料已經可以在北美市場和歐洲市場通過代理商購買了。

  另一個可以考慮的選擇是將不同材料供應商生產的產品混合使用。撓性線路在材料供應商那里經受檢測之后,在制造商那里將一家公司生產的覆箔基材和另一家公司生產的粘結層或覆蓋層混合使用。當然,你要確保兩者的兼容性接受過測試,而且在訂購新的撓性線路之前要對加工程序進行優化。
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