LCP覆銅板制作及其高頻應(yīng)用性能研究

朱永康 黃清華 周國云 王守緒 楊文君

（1.奈電軟性科技電子（珠海）有限公司，廣東 珠海 519040；2.電子科技大學(xué)材料與能源學(xué)院，四川 成都610054；3.電子科技大學(xué)江西電子電路研究中心，江西 萍鄉(xiāng) 337009）

0 引言

撓性印制電路板（flexible printed circuit board，F(xiàn)PCB）具有輕薄化、可彎折等優(yōu)勢特性，可有效改進(jìn)電子產(chǎn)品高密度互連的需求［1］，使得電子產(chǎn)品的空間利用率、元器件的布設(shè)密度等均得到較大地提升。聚酰亞胺（polyimide，PI）具有耐熱性好、柔性強(qiáng)、物理強(qiáng)度高、介電常數(shù)（Dk）/介質(zhì)損耗（Df）較低等優(yōu)勢，因此一直以來都是撓性覆銅板重要的介質(zhì)材料，市場占有率在撓性覆銅板產(chǎn)品中高達(dá)80%以上［2］。在高頻信號傳輸領(lǐng)域，PI 因具有損耗低的特點，其傳輸特性表現(xiàn)突出，但同時也存長期應(yīng)用缺陷，即高吸水性能。通常情況下，PI 的吸濕率可高達(dá)2%以上。PI 的吸水性導(dǎo)致其介電特性發(fā)生劇變，在高頻特性下信號傳輸不穩(wěn)定，損耗急劇增加。對天線這類用于信號收發(fā)的模塊，其吸收特性更為致命［3］。

為了改進(jìn)FPCB 的高頻特性，采用液晶聚合物（liquid crystal polymer，LCP）替代PI 作為關(guān)鍵性介質(zhì)層材料，用于解決PI的吸濕率高等問題，特別適用于5G 通信天線領(lǐng)域。從特性上來說，LCP 材料屬于一種較完美的材料，具有良好的耐熱、耐彎折、耐電及低損等性能［4-5］，但LCP 的各向異性、化學(xué)惰性等均導(dǎo)致其加工過程難度較高，同時合成LCP 覆銅板也存在較高難度。本文通過實驗研究，采用涂布法制作了LCP 覆銅板材料，經(jīng)過性能測試，LCP 覆銅板具備較好的綜合熱和電等性能。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與設(shè)備

商業(yè)化LCP 溶液、厚18 μm 的電解銅箔、商業(yè)化棕化溶液、樂普科層壓機(jī)、棕化處理線和高溫烘箱。

1.2 實驗過程

先將18 μm 的銅箔進(jìn)行酸洗，放入預(yù)浸液中10 s，然后放置于棕化液1 min，以實現(xiàn)表面粗化，提高銅箔與LCP溶液之間的物理錨合作用，增強(qiáng)其界面黏接力。預(yù)浸液和棕化液均在室溫下處理。

使用刷子將LCP 樹脂材料涂覆到已棕化的銅表面，然后靜置30 min，再刷1 次，再靜置1 h。將涂覆有LCP 樹脂的銅箔放置在高溫烘箱中預(yù)固化，預(yù)固化溫度設(shè)為120 ℃，時間為30 min。在已預(yù)固化的銅箔上再疊加另外一層已棕化處理后的銅箔，將其放置在層壓機(jī)中層壓，主壓溫度設(shè)置為250 ℃，壓力為120 bar，主壓時間為30 min。主壓結(jié)束后，自然降溫至室溫，取出后測試其性能。

1.3 性能表征

使用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）Hitachi SU5000 對棕化后的銅表面進(jìn)行形貌表征；二次元影像測量儀（CNC3020）用于測試LCP材料的漲縮參數(shù)，剝離強(qiáng)度測試儀用于分析銅箔與LCP 材料之間的結(jié)合力。采用矢網(wǎng)（KEYSIGHT E5080B）測試LCP 覆銅板的介電常數(shù)、介質(zhì)損耗、插損等參數(shù)，采用TA DSC250差熱掃描儀分析LCP材料的耐熱特性。

2 實驗結(jié)果與討論

通過棕化處理后的銅表面SEM 形貌如圖1所示。由圖1可知，經(jīng)過棕化后，銅表面形成了約1～2 μm 的凹凸形貌，經(jīng)粗化的形貌有利于LCP 溶液滲入，提高銅箔與LCP材料之間的黏結(jié)力。

圖1 銅棕化后的表面

經(jīng)過實驗獲得的LCP 覆銅板樣品，采用千分尺對LCP 銅箔測試其厚度均勻性，得到的厚度測試值見表1。通過2次涂覆后的LCP 與銅箔層壓后的覆銅板厚度為51.3 μm，最大厚度偏差為3.6 μm，符合整體覆銅板厚度誤差在10%以內(nèi)的要求，LCP介質(zhì)層厚度設(shè)計為15～20 μm。

表1 LCP覆銅板不同區(qū)域測試厚度

LCP 介質(zhì)材料的熱機(jī)械分析（thermal mechanical analysis，TMA）測試如圖2所示。由圖2可知，LCP材料在約200 ℃發(fā)生相變，即該溫度點為LCP 材料的玻璃化溫度（Tg）。相比環(huán)氧體系，LCP 材料具有更好的耐熱性能，因此能夠表現(xiàn)出如表1所示的優(yōu)越尺寸穩(wěn)定性。

圖2 LCP介質(zhì)層材料的DSC測試

LCP 覆銅板材料在蝕刻環(huán)境下及經(jīng)過烘烤處理后，尺寸漲縮情況見表2。由表2可知，經(jīng)過蝕刻后，由于缺少銅箔的固定作用，LCP 覆銅板會發(fā)生一定程度的膨脹，其膨脹率約為萬分之五，遠(yuǎn)高于普通的PI 材料。此外，烘烤后的樣品會發(fā)生收縮，收縮率約為萬分之二，該漲縮性能屬于正常范圍。綜上所示，LCP 覆銅板具有較好的尺寸穩(wěn)定性。

表2 LCP覆銅板漲縮數(shù)據(jù)

針對不同樣品測試獲得的剝離強(qiáng)度如圖3所示。由圖3可知，LCP 覆銅板的黏結(jié)力約為 0.8 N/mm。與環(huán)氧樹脂體系相比，該結(jié)合力偏低。這是由于LCP材料具有化學(xué)惰性特征，與銅之間的結(jié)合鍵合能力較弱，造成剝離強(qiáng)度偏低。由于采用棕化對LCP 材料進(jìn)行化學(xué)錨合，因此整體剝離強(qiáng)度較好。通過熱應(yīng)力（288 ℃、10 s、3次）與冷熱沖擊后（100個循環(huán)，-55～125 ℃），該材料的黏結(jié)力表現(xiàn)較好，具有較好的熱穩(wěn)定黏結(jié)能力。

圖3 LCP覆銅板粘接能力測試結(jié)果

在高頻應(yīng)用環(huán)境下，吸濕率對LCP 材料的作用非常關(guān)鍵。采用重量法測試LCP 覆銅板的吸濕率，測試結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，LCP 的吸濕率約為0.3%，屬于低吸濕率。相比PI 的高吸濕特點，LCP 材料在該方面表面更佳，適合應(yīng)用于高頻信號傳輸場景。

圖4 LCP覆銅板吸濕率測試結(jié)果

LCP 材料的Dk、Df參數(shù)關(guān)系到其在高頻撓性電路產(chǎn)品中的應(yīng)用需求見表3。由表3可知，在5 GHz 和10 GHz 的測試環(huán)境下，LCP 覆銅板的Dk值約為3.18，Df值分別約為0.055 （5 GHz）和0.072（10 GHz）。該性能在高頻材料中表現(xiàn)較優(yōu)，經(jīng)過105 ℃的高溫及高溫高濕處理后，LCP 覆銅板的介電性能仍非常穩(wěn)定。因此，在常規(guī)加工過程中，LCP覆銅板性能受影響有限。

表3 LCP覆銅板Dk、Df測試結(jié)果

LCP 覆銅板材料的插入損耗測試結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，LCP 的插入損耗為42 dB/m，與一般環(huán)氧體系約為56 dB/m 相比，LCP 覆銅板具有較好的低損耗特性，但與其他如聚四氟乙烯、聚苯醚等材料相比，本研究中LCP 材料Df仍偏大。由于在覆銅板壓合前，LCP 的惰性促使其表面進(jìn)行銅箔的棕化，表面粗糙度達(dá)到約2.0（Rz），使得插入損耗增加。

圖5 LCP材料插入損耗測試結(jié)果

3 結(jié)語

采用涂布法和棕化表面增強(qiáng)結(jié)合力的手段制作LCP 覆銅板，其后端均勻性在10%以內(nèi)，尺寸漲縮在萬分之五以內(nèi)，具有較好的尺寸穩(wěn)定性。經(jīng)過TMA 測試可知，LCP 的Tg高達(dá)200 ℃，具有較好的耐熱性能。黏結(jié)強(qiáng)度為0.8 N/mm、吸濕率為0.3%、Dk為3.18、Df為0.05，以及插入損耗為42 dB/m，顯示LCP覆銅板材料具有良好的高頻應(yīng)用特性。