热致液晶聚合材料加工研究

前言

随着高频化PCB技术与产品占有越来越重要的地位，高频电路基板材料的发展也出现了高速化，其中比较重要的一方面就是低介电常数和低介质损耗因数的材料的选择，这是PCB实现高速化、高频化的重要指标。在PTFE、FR-4、热固性PPO等已投入大规模商用的材料之外，一些更新型的特殊高频材料也逐渐被客户开始采用。对于此类新型材料相对应的加工制作方法的归纳总结，已是势在必行。

热致液晶聚合材料是一种具有优异综合性能的新型材料，其具有高强度、高刚性、耐高温、电绝缘性等十分优良，在印制电路行业有极大应用前景。当前国内对于此的研究主要集中在理论与机理方面，缺乏相应的加工制作方法与经验，本文通过理论分析与试验测试对热致液晶聚合材料的加工可行性进行了验证，得出了可用于实际生产的加工参数与生产方法。

材料及机理介绍

热致液晶聚合物

（Thermotropic Liquid Crystal Polymer,简称TLCP）

液晶聚合物，英文名称为Liquid Crystal Polymer，简称LCP。LCP是介于固体结晶和液体之间的中间状态聚合物，其分子排列虽然不像固体晶态那样三维有序，但也不是液体那样无序，而是具有一定（一维或二维）的有序性。它是一种新型的高分子材料，在熔融态时一般呈现液晶性。这类材料具有优异的耐热性能和成型加工性能。液晶又可分为溶致液晶聚合物和热致液晶聚合物。热致液晶聚合物是继溶致液晶聚合物之后兴起的，能够进行注塑、挤出成型加工的具有优异综合性能的一种新型液晶材料。

TLCP通常具有非常突出的强度和弹性模量以及优良的耐热性，具有较高的负荷变形温度；在与环氧树脂共混改性后得到的新型PCB加工材料既具有液晶聚合物特有的皮芯结构，也具有树脂本身的纤维性质，在熔融状态下有高度的取向，形成微纤结构，可起到纤维增强的效果。

实际使用材料简介

一种代号为R50板材的主要材料即为热致液晶聚合材料。其与FR-4材料基本信息的对比如下：

热致液晶聚合材料的增韧机理

TLCP的增韧机理可概括为银纹—剪切带的银纹剪切屈服理论和桥联—裂纹铆钉模型的综合作用。由于液晶分子中含有大量的刚性介晶单元，在成型过程中TLCP的刚性介晶单元发生有序排列，可原位生成微纤状、棒状的各向异性介晶域。在微纤和介晶域周围，则是各向同性的非晶域。TLCP本身就具有一定的韧性和较高的断裂伸长率，当材料受力时，介晶域与基体的界面产生应力集中，使树脂基体发生局部屈服形变，引发银纹和剪切带。形成银纹和剪切带的塑性功以及应力作用下银纹扩展的弹性功能都要消耗大量能量。同时，微纤状介晶域又可象桥链一样，将银纹的两边联接起来，从而阻止了银纹进一步扩展成为裂纹，当银纹发展遇到相同的介晶域时，也会钝化或分支，从而被有效的终止，达到增韧的目的。

TLCP的增强和耐热机理

由于TLCP材料本身的特性与及排列取向方式的影响，液晶大分子与环氧树脂基体交织，形成刚柔相间、排列有序且结构紧密的网络结构，可以极大提高体系的耐冲击性能与耐热性能。

试验整体思路

对于新型材料R50及其配套的半固化片F7还尚未大规模使用，缺少实际加工方法与经验；根据以往的经验与数据统计，此类产品通常又会有超出常规产品的其他加工难点。针对此现状，为保证产品的最终交付，必须对整个过程进行先期的策划与试验。

在实际生产过程中，对于此类问题的一般解决思路与流程如下：

（1）熟悉新物料或设备的特性，获取主要性能参数；

（2）结合本司制程现状找出生产难点，并对难点进行针对性地验证试验与FA板制作；

（3）根据验证试验与FA板生产结果总结出实际生产的控制方案；

（4）总结评估控制效果，并对过程进行分析；

（5）得出结论；

过程问题识别

新型材料的特性

电气性能

R50与F7的具体性能参数较FR-4板材也存在差异，此处仅列出与热致液晶材料联系最紧密的特性。

R50材料内部由于没有玻纤布，因而拥有比普通FR-4材料更低的介电常数与介电损耗。

F7半固化片也同样具有较低的介电损耗。

结构稳定性

R50材料、F7半固化片与普通FR-4材料最大的区别是内部无玻璃布进行补强，仅依靠液晶聚合物的增韧作用形成微纤结构来对板材起到结构增强效果，因此在层压过程中的结构稳定性为较FR-4材料差，表征现象为此材料具有更大的涨缩系数。

此材料属于PTFE材料，具有热塑性，在受到较大外力时易产生较大尺寸形变，在去毛刺、陶瓷磨板等板面处理流程需特别注意，避免板面磨漏基材，同时在磨板后返测涨缩，监控涨缩形变量。

生产板基本简介

客户生产板基本生产信息如下：

过程加工难点

根据生产板基本信息可识别出众多难点，此处只先讨论在使用热致液晶材料进行生产时，导致的其他难点，对于本次生产，因材料原因导致的难点如下表所示：

验证性试验

部分识别出的难点没有相关可供参考的数据与经验，需对此进行验证性试验以确认具体的加工解决方法：

预给系数试验

使用相同材料进行FA试验，按实际生产板条件进行加工至层压后，测量涨缩变化，据此调节生产板的预给系数。

试验板采用公司内部涨缩计算系统进行模拟计算给出一个预给，如下表2：

按照此预给制作与生产板相同叠层的试验板，在层压后对板边三对涨缩测量PAD进行量测，以计算实际涨缩。

试验板在层压后使用X-Ray测量机对各层涨缩PAD进行涨缩测量，以确认材料在压合过程中的拉伸变化；测量数据如下表3：

取试验板各层不同测量位置的涨缩PAD的涨缩平均值作为 各层的涨缩拉伸依据，对实际预给系数进行调整，并以此作为后续生产板的预给系数。

层压邦定参数验证试验

本次加工所用半固化片具有较高Tg点（215℃），不易受热融化形成致密联结，需通过试验对层压邦定参数进行验证，具体情况如下表4：

试验过程参数采用阶梯式上升的方式进行逐步调整，有效避免因无序试验导致的过程失控与参数遗漏；在达到设备最高邦定温度后采用延长时间的方式进行试验，最终实现了产品的有效邦定，成品邦定效果见下图5：

通过邦定效果可看出，在使用190℃*180S的参数条件下，邦定铜网部位半固化片形成了有效联结，可保证在铆合过程中各层芯板不产生偏移。

在完成邦定后，再使用PIN-LAM的方式进行铆合，有效改善了人为因素导致的偏位。

层压参数验证试验

根据材料供应商提供的资料，获知F7半固化片层压过程所需满足的参数要求如下图6：

按照上述参考要求中升温速率、降温速率及高温保持段的要求，结合公司设备的实际状况，计算并拟合出如下压合程序：

试验板层压时按照表4所示程序进行压合，同时连接感温线对压合过程料温进行监控，并在压合完成后对板材进行Tg测试以确认固化度。

按如上程序进行压合后，得到的感温曲线数据如下所示：

对比图6材料的压合参数，试验板按试验程序压合所获得各项数据均满足要求；压合后的DMA测试结果为Tg1：214.8℃，Tg2：217.3℃，两次的△Tg为2.5℃，符合IPC标准要求的△Tg≤5℃，认为压合后的固化度也满足要求，此次试验程序可直接应用于实际生产。

层压复型材料验证试验

在涉及不流胶半固化片或挠性材料的层压时，行业内常使用复型材料进行复型，以保证板面的平整度。对于LCP材料，板材质地较软，易弯则变形，有类似挠性材料的物理特性；同时使用了不流胶半固化片。对此选用两种不同的复型方式：铝片复型与Pacopads缓冲垫进行复型效果进行压合对比。

在试验过程中，采用单一变量控制的原则，两组试验除复型材料不同外，其余各项条件均保持一致，层压后对板面情况进行对比，如下图8：

对比两种不同复型材料的复型效果，使用铝片复型压合后板面平整无凹凸痕迹，使用Pacopads缓冲垫复型的板面凹凸不平，有类似皮革般的细纹。

对LCP材料的复型，使用刚性更强的铝片复型效果明显好于有良好弹性的Pacopads缓冲垫；铝片的刚性与良好平整度在层压过程中保证板面受到更均匀的压力，又避免了因钢板板面可能杂物造成的不平整；Pacopads缓冲垫质地过软，同时纸面平整度不如铝片，因而不能保证板面受力的均匀性，降低了压合复型的效果。

F7半固化片盲孔填胶验证试验

PTFE及类似材料在进行陶瓷磨板等板面处理过程时，较易出现尺寸拉伸，涨缩变化及板面露基材的品质异常；本次生产板使用LCP材料同时设计有树脂塞孔，为避免因塞孔后的磨板导致的报废，对F7半固化片的盲孔填胶能力进行验证，以期能用PP填胶方式替代树脂塞孔。

试验板采用与生产板一样的图形与钻孔设计，以保证填胶需求的一致性；同时使用相同的压合程序进行层压，在层压完成后，对盲孔切片观察填胶效果。

通过切片观察，可明显观察到，0.3mm、0.6mm盲孔均实现了完全填胶，证明F7半固化片拥有对此两种孔径盲孔的填胶能力，实际生产可直接使用PP填胶方式对盲孔进行填胶，不必再使用树脂塞孔方式进行填充；从而可避免磨板带来的漏基材风险。

难点过程控制方案

结合材料的具体特性与各项验证性试验，对识别出的难点给出相应的加工方案，并根据实际加工过程对方案进行调整。

内层干膜制作

生产时按照试验板数据先制作FA试板，以确认预给系数符合实际需求；实际投入生产后，子板层压后在标靶孔处测量的涨缩情况如下：

上述数据表明，通过试验板测试所得的预给系数可应用于生产板的生产，实现对板材涨缩的有效控制。

根据生产板的设计情况，两块子板在压合后最外层板面没有制作线路；不会受到涨缩变化的影响；同时母板使用板边孔作为线路制作的定位点，与子板使用不同的定位系统，据此可对芯板的板边设计进行优化，以减少此两光板层对涨缩测量时的干扰。

对此的优化方案为，将子板的最外层及内部的两层无图形层的定位孔位置，采取掏铜的方式去除掉定位点，仅在此位置保留基材。

层压制作

层压制作按照试验验证所得的压合程序进行生产，并使用比生产板单边大2-4inch的铝片进行复型，压合过程通过感温线对料温曲线进行测量。

在下炉后，对FA板进行Tg测试，最终所得Tg1：213.5℃，Tg2：216.2℃，两次的△Tg为3.7℃，符合IPC标准要求的△Tg≤5℃。据此可认为LCP材料的层压过程得到了有效控制，后续的生产均可据此进行可控生产。

钻孔外形制作

对于LCP材料，具有类似PTFE材料的性质，其具有良好的力学延展性，伸长率为250%-300%，对钢的动摩擦系数均为0.04，在机加工制作时，难以获得较好的板面质量，切削加工性差。而LCP材料与PTFE材料相比，内部无玻璃纤维补强，质地更柔软，更易在外力作用下产生拉伸变形，应在生产参数与制作条件上进行着重控制。

按此方法控制加工后，分别对钻孔后的孔壁质量与外形加工后的板边情况进行观察，结果如下：

通过对板件进行销钉与蓝胶固定，保证了板件在加工过程中始终保持平整且没有滑移，而对于孔壁质量的切片观察显示，孔壁粗糙度仅为4.3um，完全满足IPC标准；而对于外形加工，在对板边进行简单整平处理后，尺寸满足成品公差要求，板边平滑无毛刺，也可达到相关接收标准。

对于LCP材料的钻孔外形加工，在进行如上相对应的控制后，可实现良好的孔壁质量，孔壁粗糙度控制在10um以下；而外形加工可实现准确的外形尺寸控制，并去除掉毛刺与残屑。

外层干膜制作

由于LCP材料较软，且易发生形变，在外层干膜制作过程较易因板件翘曲导致图形曝光偏位；根据试验板获得的制作经验，采用贴蓝胶固定的方式将板件固定于平滑光板上，进行单面菲林曝光，之后再以相同方式制作另一面。使用此种方法，较为有效地解决了LCP材料形变导致曝光偏位的问题。

可靠性测试

对于一款新材料，使用其加工后产品的可靠性应进行相关的测试验证，以验证其在苛刻使用环境下的可靠性。对于热致液晶材料，其内层不含有玻璃纤维，从结构上避免了CAF产生的风险；对于热应力的可靠性还须通过相应试验进行验证。

按照IPC标准规范方法对对应产品取样进行热冲击试验，试验前先在125℃条件下烘板6小时，再在288℃无铅锡炉中漂锡10秒，样品回复室温后进行切片观察，如下所示：

在进行一次漂锡实验后，板面基材位置未发现有分层、空洞及起泡现象；切片观察金属化孔的情况，内层基铜与电镀铜连接位置结合良好，未发现有断裂痕迹；可满足客户设计要求，达到预设接收标准。

制作分析

尺寸稳定性

LCP材料为热致液晶材料，拥有类似PTFE材料的性质，但材料中无玻璃布进行补强，在加工过程中易受外力及高温影响而发生形变，形变量在0.06%左右，远远超过普通的FR-4板料；机加工时正常的三孔定位方式极易出现在加工过程中的形变，从而出现文件与实际板件不匹配，导致钻孔偏位破盘问题。在对板件进行整平固定后，再按照三孔定位方式进行制作生产；按此方式钻孔，实现了整板钻孔不出现偏位破盘，保证了生产品质。

盲孔填胶性

根据验证试验，在对于残铜率较低的盲孔板可实现对盲孔的有效填胶，实现对树脂塞孔流程的替代，从而完全避免LCP材料不适于磨板的问题。

压合固化

在适当的压合参数配合下，LCP材料可表现出良好的固化特性，满足相应固化度的要求。

可靠性

通过漂锡实验对LCP材料的成品可靠性进行判定，根据测试结果：LCP材料在经过漂锡实验后，未出现分层等缺陷，满足产品可靠性接收标准。

制作总结

在目前的制程能力条件下，可实现对热致液晶材料产品的小批量生产。

热致液晶材料尺寸稳定性较差，过程中形变大且涉及流程多需对文件进行特别修改并在制作过程不断进行调整。

热致液晶材料无玻璃布补强，刚性不够强，加工完成后因避免过多的挤压弯折，造成板面或内层线路折断。

本文仅对热致液晶材料的加工可行性进行了初步探讨，完成了部分型号产品的制作；对于热致液晶材料的加工能力还待进一步地试验探究。

来源：贤集网