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硅微粉填料在覆铜板中应用的展望
来源:中国粉体技术网    更新时间:2015-11-03 08:10:29    浏览次数:
 
1 前言
       填料是一种固体粉末材料,具有通过自身的物理特性和表面相互作用,来改变材料物理和化学性质的能力。由于填料改善基体材料性能的效果显著,且能在一定程度上降低材料的成本,所以填料的应用越来越广泛,在体系中所占的比例也越来越高。
       覆铜板-----又名基材 。将补强材料浸以树脂,一面或两面覆以铜箔,经热压而成的一种板状材料,称为覆铜箔层压板。 它是做PCB的基本材料,常叫基材。 当它用于多层板生产时,也叫芯板(CORE)。覆铜板是电子工业的基础材料,主要用于加工制造印制电路板(PCB),广泛用在电视机、收音机、电脑、计算机、移动通讯等电子产品。
       覆铜板行业应用的无机填料有很多种,如滑石、氢氧化铝、氧化铝、硅微粉等,覆铜板厂家主要根据覆铜板的性能来选择相应的填料。目前产量最大的FR-4 覆铜板主要采用硅微粉作为填料。
硅微粉由石英加工而成的粉体。石英属于三方晶系, 具有正六面体结构, 折光率1.54-1.55,莫氏硬度7 左右,密度2.65g/cm3,熔点1750℃。具有以下性能:高绝缘性、高热传导性、高热稳定性;耐酸碱性(HF 除外)、耐磨性;低的热膨胀系数(14×10-6/K)、低介电常数(约Dk=4.6,1MHZ)等。
       由于硅微粉具备以上的优良性能,因此在覆铜板行业的应用日趋广泛。随着硅微粉表面处理条件的改进,改善了它与树脂体系的相容性,所以硅微粉作为一种填料应用到覆铜板中,不但可降低成本,还能改进覆铜板的某些性能(如热膨胀系数、弯曲强度、尺寸稳定性等)是真正的功能性填料。
       覆铜板行业整体技术水平的不断提高对硅微粉填料的使用也提出了越来越高的要求,这也促进了硅微粉行业近年来的快速发展。

2 硅微粉种类
2 .1 结晶型硅微粉
       即精选优质石英矿,经洗矿、破碎、磁选、超细碎、分级等工艺加工而成的石英粉。结晶型硅微粉在覆铜板行业中的应用在国外起步较早,国内硅微粉厂家在2007 年前后具备此种粉体的生产能力,并很快获得用户认可。使用结晶硅微粉后,覆铜板的的刚度、热稳定性和吸水率都有较大幅度的改善,随着覆铜板市场的快速发展,结晶硅微粉的产量和质量都有了较大幅度的提高。
       为了更好的满足客户的需求,江西中节能高新材料有限公司通过加大产品研发力度,优化生产工艺,以精益求精的态度开发出了具有自身特点的高纯超细结晶型硅微粉。
       表1 可见,江西中节能硅微粉无论在化学元素和离子含量控制上都优于一般厂家硅微粉。此外江西中节能硅微粉具有钝角结构,该结构使得填料在树脂中的粘度能降低20%以上,使填料在树脂中具有良好分散性,保证了覆铜板上胶工序具有良好的可操作性,并能有效减少PCB 板使用中的尖端放电现象。
2 .2 熔融硅微粉
       即精选具有优质晶体结构的石英原料,经酸浸、水洗、风干、再经高温熔融、破碎、人工分拣,磁选、超细碎、分级等工艺精制而成的硅微粉。相比结晶型硅微,它具有更低的密度(2.2g/cm3,更低的介电常数, 更低的热膨胀系数(0.5×10-6/K),该种粉体主要在高频覆铜板中作为填料使用。
       在高频技术持续发展的今天,从传统1GHZ 以下的频率发展到2G、3G、6G 乃至更高频率,覆铜板的介电常数Dk 和损耗因子Df 就成为应用在高频领域特别重要的指标。覆铜板的Dk 高会使信号在传递过程中速度变慢,Df 高会使信号在传递过程中产生损耗,因此如何降低覆铜板的Dk 和Df 成为覆铜板业界研究的热点问题。
       目前常用的降低Dk、Df 的方法有:选用低Dk、Df 的树脂和选用低Dk、Df 的玻璃纤维。降低玻璃纤维的Dk、Df 主要通过改变玻璃纤维的化学成份来实现,即改变玻璃的熔制配方来实现,需要上游厂家密切配合才可能实现,而选取Low-Dk、Df 的树脂也很困难,因为此类树脂通常价格较高且可加工性较差。因此在非特殊情况下,覆铜板厂家更愿意通过对环氧树脂进行改性和添加填料来降低板材的Dk 和Df 值,熔融硅微粉作为填料就是一个很好的选择。
 
       表2 为某覆铜板厂家添加江西中节能熔融硅微粉(R600) 和添加其他厂家熔融硅微粉(M525)后的实验对比。
       由上表可知,添加熔融硅微粉的环氧体系覆铜板Dk 约为4,Df 约为0.006;而通常添加结晶硅微粉覆铜板的Dk 约为4.5-5.0,Df 约为0.019。由此可见,添加熔融硅微粉可有效降低板材的Dk 和Df 值,而添加了江西中节能熔融粉的板材在性能上更占优势。

2 .3 复合型硅微粉
       复合型硅微粉又称低硬度硅微粉。采用数种无机矿物经精确配比熔制成无定型态玻璃体,经破碎、磁选、超细碎、分级等工艺加工而成的硅微粉。此种粉体莫氏硬度在5.5 左右,二氧化硅的成份被大大降低,化学成份的改变,可以有效降低硅微粉硬度,减小钻头在钻孔制程中的磨损,减小钻孔过程中的粉尘污染。
       众所周知,环氧覆铜板由玻纤布、树脂和铜箔组成,其中铜箔作为导电材料,对板的钻孔行影响较小,因此由玻纤布和环氧树脂复合成的层压板是影响钻孔行的主要因素。通过调整玻纤的化学成份,主要通过降低SiO2 和CaO 的含量和提高B2O3 和Al2O3 的的含量来改善板材钻孔性,但目前针对性开发低硬度玻纤的厂家很少。
       采用新型玻璃布加工工艺,如采用特殊方法织造的玻纤布、特种加工布、过烧布等方法可以改善板的力学性能、尺寸稳定和钻孔可加工性,使钻孔的粗糙度明显降低。采用新型偶联剂处理玻纤布可以使布与树脂间的界面韧化,降低界面应力集中,改善板的翘曲度和钻孔性。
       选择具有较高耐热性同时又有良好韧性的树脂,可以减少钻孔时的树脂污染,减小钻头磨损和改善钻孔的粗糙度。
       以上方法可以有效改善钻孔性能,减小钻头磨损,但是生产成本较高,因此在树脂中加入低硬度的填料将是很好的选择,复合型硅微粉就是在此种情况下被开发出来。目前此种粉体因其高性价比和优越的性能在被越来越多的覆铜板厂家使用。表3 为我司开发的复合型硅微粉和其他厂家同类产品的对比表。
       低硬度的填料将是很好的选择,复合型硅微粉就是在此种情况下被开发出来。目前此种粉体因其高性价比和优越的性能在被越来越多的覆铜板厂家使用。表3 为我司开发的复合型硅微粉和其他厂家同类产品的对比表。
       由表3 可知,覆铜板厂家选用江西中节能公司公司的复合型硅微粉作填料,产品在耐热性、吸水率和介电常数等方面具有非常大的优势,但中节能硅微粉的膨胀系数偏高,经过技术改进,目前已经使膨胀系数达到同类产品水平。
2 .4 球形硅微粉
       指颗粒个体呈球状,通过高温将形状不规则石英粉颗粒瞬间熔融使其在表面张力的作用下球化,后经冷却、分级、混合等工艺加工而成的硅微粉。此种粉的流动性较好,在树脂中的填充率较高,做成板材后内应力低、尺寸稳定、热膨胀系数低。
       球形硅微粉技术在日本已经非常成熟,目前国内也有几个厂家可以小批量生产环氧塑封料用球形粉,未见在覆铜板领域有应用。由于球形粉的价格很高,目前在覆铜板行业未能大规模使用,少量用在IC 载板、HDI 板等领域,相信随着覆铜板向高端的发展,球形粉的应用将与日俱增。
2 .5 活性硅微粉
       即向硅微粉添加适量偶联剂,在适当的温度下改性而成的硅微粉。此种粉添加在树脂中具有很低的粘度,和树脂的结合性能强,做成的板材具有很好的抗剥离强度,优异的耐高温性能,同时还可以改善钻孔性能。
       但目前覆铜板厂家所采用的树脂体系不尽相同,硅微粉生产厂商很难做到同一种产品适用所有用户的树脂体系,且覆铜板厂由于使用习惯,更愿意自己添加改性剂,因此活性硅微粉在覆铜板行业的推广使用尚须时日。

3 硅微粉在覆铜板中应用的发展趋势
3 .1 大有可为的超细结晶型硅微粉
       目前应用在覆铜板上的超细硅微粉平均粒径在2-3 微米,随着基板材料向超薄化方向发展,将要求填料具有更小的粒度,更好的散热性。未来覆铜板将采用平均粒径在0.5-1 微米左右的超微细填料,结晶型硅微粉因具有良好的导热作用将被广泛应用,考虑到填料在树脂中的分散性和保证上胶工艺的顺利开展,结晶型硅微粉很可能会和球形粉配合使用。尽管有不少导热性比结晶型硅微粉更好的填料,如氧化铝球形粉等,但它们价格非常高,未来很难被覆铜板厂家大规模使用。
3 .2 快速发展的熔融硅微粉市场
       随着各类先进通信技术的发展,多种高频设备都已被广泛应用,其市场每年都以15-20%的速度增长,这必将在一定程度上带动熔融硅微粉市场的快速发展。
3 .3 稳定的复合型硅微粉市场
       目前国内大多数覆铜板厂家已开始使用复合型硅微粉来代替结晶型硅微粉,并逐步提高使用比例,复合型硅微粉的市场将在未来2 年内达到饱和。硅微粉厂家在提高产量的同时,也在不断优化产品指标,为进一步降低钻头磨损,开发更低硬度的填料将非常必要
3 .4 乐观的高端球形粉市场
       PCB 基板材料正在迅速的向着薄形化方向发展,特别是HDI 多层板当前实现基板材料的薄形化表现得更为突出。许多便携式电子产品在不断推进它“薄、轻、小”和多功能的情况下,需要PCB 的层数更多、厚度更薄。随着电子产品向小型化、集成化方向的发展,未来HDI 板的比重将明显提高,与此同时,国内IC 载板项目也在全国多地展开。在良好的市场环境下更要求国内硅微粉厂商能够推出具有高纯度、高流动性,低膨胀系数,良好粒度分布的高端球形硅微粉产品,因此球形硅微粉在覆铜板行业的应用前景非常值得期待。
3 .5 可期待的活性硅微粉市场
       采用活性硅微粉作填料可以使覆铜板的一些性能得到明显改善,目前市场上已经有硅微粉厂家在推出活性硅微粉产品,但使用效果较差。国外通常用十几种偶联剂对硅微粉进行改性,国内往往只用一种或几种,且粉体往往产生团聚,改性剂对粉体包裹布均匀,很难达到理想的改性效果。若想在覆铜板领域大量推广使用活性粉,硅微粉厂家的任重道远,不仅需要上游偶联剂厂家的密切配合,更需要下游覆铜板厂家的通力合作。只要解决改性的技术难题,活性硅微粉的市场将非常值得期待。

作者:江西中节能高新材料有限公司  徐建栋  黄运雷


 
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