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1、 无捻玻纤增强技术及其对 PCB 基材性能的改进 张洪文 编译 摘要：根据近期看到的有关技术资料，介绍了无捻玻纤增强技术的原理、方法和 PCB 基材性能改进的情况。 关键词：无捻玻纤（untwisted glass fiber）,介电常数(dk),、介质损耗（df）,阳极性纤维漏电（CAF） （现象） ，激光通 孔（laser drilling through hole）,聚四氟乙烯（PTFE） 1 引言 玻纤增强技术对人类社会的科技进步和生产力发展起到了很大的作用，在电子产品领域，在 PCB 业界也不例外，不 乏靓丽的身形和光辉的史迹，譬如 FR-4 等系列基材在众多电子产品中的应用就是很好
2、的例证。但是，随着电子技术 的快速进步和产品的不断更新，很多电子产品的工作主频达到 GHz 频段，玻纤增强技术遇到了严峻的挑战，例如： 介电常数较大、在传输过程中信号发生扭曲变形、耐受阳极性纤维漏电性能较差等；还有在加工制造过程中激光微通 孔品质不好、效率低下等等；无法满足很多新型电子产品的需求。 分析几种 PCB 基材增强用玻纤布的结构及其对基材的性能影响后发现，之所以出现上述诸多问题，主要是玻纤布的 结构造成的；而影响玻纤布结构最突出因素就是纤维织纹现象（FEW：fiber weave effect） ；本来“纹纱” 、 “织布” ， 是很自然而然顺理成章的事情，在这里却成了问题的“症结”
3、之所在。再深入分析，产生纤维织纹现象的根本原因是 织布用纤维纱的“捻” ，也就是“纺”的结果；如果改用无捻的纱织布，纤维织纹现象将明显减轻；于是提出了“无 捻”玻纤这一议题。从上世纪末到本世纪初，无捻玻纤增强技术在改进 PCB 基材性能方面，已经取得了可喜的进展； 例如，美国的 Dielectric solutions,LLC 公司等，采用玻纤直接处理（direct finish）技术，生产出了无捻（twist free）纱 制成 nova speed 系列玻纤织品，制成 PCB 基材在 10GHZ 情况下的介电常数（DK）为 3.0，介质损耗（DF）为 0.004，而且耐阳极性纤维漏电性能(
4、CAF:conductive anodic filament)及激光通孔(laser drilling through hole) 性能等也 有明显改善。下面将根据近期年到的一些资料作简要介绍。 2 基本原理及做法 传统的玻纤布制法是当熔融的玻璃从喷头喷出成玻纤丝时立即涂敷淀粉-油质的浆料，接着合股纺纱，之后整经、上 浆、织布；如果用于增强 PCB 基材，则需将相应的玻纤布放在 7000F 的加热炉中处理 3 天2，将涂敷的淀粉-油质的 浆料脱除；之后将该玻纤布用与基材树脂相适应的硅烷偶联剂进行处理，得出用于增强 PCB 基材的玻纤布。新发明 的方法是当玻纤被喷出形成时立即涂敷与基材树脂相适应
5、的胶粘剂，使玻纤在其胶粘剂的作用下形成扁平光滑的条带 状纱线，之后进行整经、织布。不必纺纱、上浆、热净化和硅烷偶联剂处理。两种方法制成的玻纤布结构不同，对比 情况如图 1 所示。 从上图中可以清楚地看到，传统的玻纤布的确是“经、纬分明” ，布的“织纹”非常清晰；而改进后的无捻纤布则是 整个幅面上显得灰暗， “织纹”有点模糊，很像是老百姓“竹” （或苇）蔑“编制的”席子“。这主要是由于织布时采 用的纤维纱线不同而导致的结果，即传统的玻纤布是采用的普通玻纤纱，而改进后的玻纤而则是采用的无捻玻纤纱。 两种玻纤纱的制法不同，结构各异，如图 2 所示。 因为是横截面图，无法看到普通玻纤“纺纱” 、 “加
6、捻”的情况；但可以想象得到将近 30 条玻纤单丝被浆料和机械 “加捻”而纽结在一起成“绳索状” （rope-like） ”纱线，纵横交织成布，就像用“柳条”编制“篮子”一样，要让它 “织纹”模糊是非常困难的。至于扁平的“条带状（ribbon-like） ”无捻玻纤纱，织成布自然是另一番景象了。类似 “竹（或苇）蔑“编制的”席子“样的无捻玻纤布，肯定”织纹“结构远没有普通玻纤布者清晰。 从图 1 中看到不管是用绳索样玻纤纱织成的“柳条篮子”样传统的玻纤布还是用条带样无捻纱织成的“竹蔑席子”样 的无捻玻纤布，在它们幅面的结构中都存在着这样三种区域，即无玻纤纱的区域、单层玻纤纱的区域和双层玻纤纱的
7、区域；分别用红色、黄色和绿色来表示，并计算它们的面积占总面积的比值，结果如图 3 所示。 从上面的 3 幅图中可以清楚地对比看到，无捻玻纤布的结构更为合理，玻纤在织物中的分布更为均匀；纱线扁平，尽 管支数相同但织成的布与同规格的常规玻纤布相比厚度较薄。由于玻纤在布的结构中颁均匀合理，更适合与树脂结合， 当然，在玻纤表面涂的胶料与树脂的适应性也是重要的因素，所以制成基材时性能更趋优化，例如对介电性能的影响 两种玻纤布就有明显的差别。如图 4 所示。 这种玻纤喷丝后直接涂敷处理粘合制成无捻扁平的做法，不仅省去了热净化和硅烷处理工序，节约了能源、资源，减 少了废气排放，有利于环境保护；同时因为不需要
8、高温处理而保持了玻纤的机械强度；一般情况下玻纤布在热净化过 程中将降低 30%的机械强度1。 3 新型玻纤增强技术对基材性能的改进 3.1 对介电性能的改进 在很多电子产品主频进入毫米波的情况下,基材的介电性能成了业者们关注的焦点之一.无捻玻纤布 NovaspeedTM1080 及传统的玻纤布 1080 的结构特点、主要介电性能的对比如表 1 所示。 在上表中的厚度测量是按照 ASTM D579 (25 磅/平方英寸)规范进行；无捻玻纤布 Novaspeed tm 1080 的介电常数（DK）和介质损耗（Df）则是由宾法尼州大学（Pennsylvania state university）的材
9、料研究实验室(The Materials Research Lab)，按照国家技术与标准化研究所(NIST:National institute of standards and Technology)的对开共振腔法 （split cavity method） ，在 10GHZ 情况下进行测量，之后并按照 IIPC-TM-650-2.5.5.5 规范之微波带状线法(stripline method)测量层压板的数据计算进行了验证；而传统的 1080 玻纤布的 Dk 和 Df 数据则是取自 2007 年 IPC Apex/Expo 之会议报告3-12d Glass Renforcement Ta
10、sk Group”. 从表 1 中可以看到，无捻玻纤织品的介电常数差不多使玻纤布与高性能树脂之介电常数的差别减少了一半。将无捻玻 纤布 Novaspeed TM1080 分别浸渍本公司的三种高性能树脂，并按照 FR-4 的工艺方法制成层压板，其介电性能结果如 表 2 所示。 无捻玻纤布 Novaspeed TM 1080 为批量产品，其介电常数和介质损耗是按照国家技术与标准化研究所的对开共振腔法 测试；其他的 Dk 和 Df 均按照 IPC-TM-650 2.5.5.5 微波带状线法进行测试。 因为玻纤在基材结构中均匀、合理，与树脂结合紧密，减小了树脂与玻纤介电性能差别的影响，在减小信号损耗的
11、同 时，还降低了信号的扭曲，保证了在传输过程中信号的完整性。 32 耐 CAF 性能的改进 “竹蔑席子”样的无捻玻纤布，不仅外观平整、光滑，而且内在结构致密；一方面是玻纤丝在玻纤布或者是所制成的 层压板的空间中分布、展散均匀、合理；另一方面是它的每一条纤维都被与主体树脂相适应的有机材料所充分涂，彼 此彼此间结合紧密而且与主体树脂构成完整的体系，形成了“零纤维间隙(zero hollow fibers)”的整体结构。因此，这 样的层压板在应用过程中发生电化学迁移现象的可能性大幅度地减小，所以明显地改善了基材的耐 CAF 性能。33 其他性能的改进由于玻纤在基材结构中展散均匀，所以改善了基材的激光
12、通孔性能，不但加工速度提高，而且通孔的品质也得以改善。 这种无捻玻纤的直接涂技术，却掉了玻纤布的热净化处理过程，保持了玻纤的机械强度，有效地改进了基材的机械性 能：平整的织物，减少了基材的内应力；这些方面都有助于提高基材的通孔及其定位精度。应用这种玻纤直接涂技术， 采用一种与聚西氟乙烯树脂相适应的材料进行涂，得到一种新型的玻纤来增强聚四氟烯乙树脂，改变了聚四氟乙烯的 “化学惰性”而与玻纤结合更牢固，制成了一种性能更好的 PCB 基材2。4 小结得益于观念更新与认识深化，由传统的玻纤增强技术研发成功了新的无捻玻纤增强技术，使微波高密度互联 PCB 设 计者们、制造们增加了基材选择的地；同时也为
13、CCL 业者们、玻纤业者们在当前崇尚“低排放” 、 “低消耗“的大趋 势下，扩大了经营、发展的空间。编译者参阅文献资料： 1”advanced glass reinforcement technology for improved signal integrity”2009 08 15 download from http:/www.hypertransport.org/docs/wp/compunetics_white_paper.pdf2”advanced reinforcement technology presents new design opportunitites for printed circuit boards”09 08 15 download from http:/
