PCB基板材料的生产过程与加工原理

一、生产过程简述
常规PCB基板材料—覆铜板的生产制造流程主要包括五大工序。即树脂胶液配制-浸胶-半成品叠合-层压成型-裁剪包装。生产中立式浸胶机、层压机是最关键的加工设备。覆铜板主要工艺流程如图2-3所示（图中所示的为FR-4产品生产例）。覆铜板在生产过程中的主要设备，附属工艺及设备见图2-4。

二、加工原理简述
目前世界上绝大多数生产刚性覆铜板的方式是间歇式（又称为阶段式）。只有少量产品、很少品种是采用连续式生产（如在日本、欧洲的个别厂家目前可以用连续法生产薄形的FR-4,CEM-3等）。常规的间歇式生产覆铜板，主要通过三个阶段的工艺加工过程。即:1 树脂胶液制作（制胶）、2 半成品浸胶（浸渍、烘干）、3 层压成型（压制）。

（1）树脂胶液制作
树脂胶液制造是在反应釜中完成的。酚醛纸基CCL的树脂胶液制造，一般要从原树脂的合成反应开始。即多为首先作出各种酚醛树脂漆，然后再在反应釜中加入其它树脂、助剂、溶剂等，进行混合、溶解（或反应），制成可直接用于浸胶加工的树脂胶液（海外又称凡立水,resinvamish）。在树脂胶液制作过程中，主要控制的性能项目有：树脂胶化时间（又称为凝胶时间）、挥发物含量、密度、粘度、固体量、游离酚含量等。环氧树脂玻纤布基CCL（如FR-4）的树脂胶液制作，主要是树脂的配制加工过程。即在反应釜中加入原树脂（如环氧树脂等），再在搅拌、加热的条件下加入固化剂、固化促进剂、其它助剂、溶剂等，然后进行混合、溶解（或反应）而成。

在树脂合成反应加工的设备的设计、选型中，反应釜的蒸发面积（或反应釜的径高比）、真空泵的抽气速率（或抽气量）、冷凝面积、冷凝水温度、反应釜夹套的加热及冷却的方式、反应釜的搅拌效果等，都对合成树脂的性能有着重要的影响。而对制造中各反应阶段温度、真空度、反应时间的准确、合理地控制也是十分重要的。对于树脂胶液配制加工来说，要严格的控制各组分的投料量以及混合、溶解反应的工艺时间、温度、树脂胶液的传热效果和搅拌效果等。

（2）半成品浸渍、烘干（上胶）
纤维增强材料通过进入树脂胶液中进行浸渍，然后再在干燥箱中进行对树脂的干燥加工，在覆铜板的生产中，这一过程被称为浸胶，又俗称为上胶。它是覆铜板产品制造中必要且重要的一个生产环节。也是覆铜板的半成品上胶（布）的重要加工过程。而对玻纤布基CCL来讲，在这个过程中所生产的上胶布就是多层板制造中所需用的半固化片（prepreg）。

半固化片———故名思义在覆铜板或多层板的半成品加工中，纤维增强材料（纸、玻纤布、玻纤纸等）经上胶机的浸渍、烘干使增强材料上的树脂加工到“B阶段”（所谓B阶段树脂是指高分子物已有相当部份的分子发生了交联，但此时它仍具有可溶、可熔的状态特性）。半固化片的质量对用其生产的覆铜板或多层板的质量影响是很大的。而在树脂胶液的配方确定之后，半固化片的质量主要决定于上胶机的水平、上胶机的工作状态、纤维增强材料的质量以及上胶生产的工艺技术条件。

上胶的方式，在世界上目前绝大多数为有溶剂方式的上胶。但近几年，美国FAUSTEL公司开发、生产出无溶剂上胶的方式的上胶机。并在欧洲的ISOLA公司等工厂得到使用。

有溶剂方式的上胶机按照烘箱放置方式划分，主要有两大类：立式上胶机和卧式上胶机。上胶时所用的不同类型的纤维增强材料，使用的上胶机的类型也不同。卧式上胶机适宜使用在其上胶的增强材料强度较低的情况下。卧式上胶机烘箱中的加热方式，多为热气流风托的方式。让已浸胶的基材悬浮在热空气中而行走。而风托方式对有孔眼的玻纤布来说，是不太适应的。用玻纤布作为基材的上胶，多使用立式上胶机。立式上胶机自20世纪90年代起世界上多用红外辐射加热方式。

上胶加工中，浸渍过程的实质，是浸渍的树脂胶液与增强材料的纤维结构中的空气相互交换的过程。在这个过程中，适宜的分子量、粘度、温度的树脂胶液，首先通过上胶机的底涂辊（单方向浸入树脂）、挤压辊（双面浸入树脂，控制浸胶均匀度和含树脂胶量）的机械作用，将增强材料纤维中空气排走，使树脂胶液占据其空间，并达到一定厚度的涂层。因此，保证存在于浸渍纤维空间的均匀性和树脂占有率，是半成品浸渍加工中所要达到的两个重要目的。只有很好的达到此两个浸渍加工中所要求的目的，才能保证最后成型的基板材料更加具有低吸水性、良好的层间粘合性和介电性能。同时，还有助于板的尺寸稳定性、有助于板的阻燃稳定性以及有助于所制出的印制电路板特性阻抗高精度的控制等。

浸渍后的湿态上胶纸（布）进入上胶机的烘箱后，在干燥加工中要同时完成两个过程：一是溶剂与低分子挥发的蒸发过程；二是树脂分子继续进行一定程度的缩聚过程。前者是物理变化过程，后者是化学变化过程。干燥完成后，应达到上胶纸（布）内只残留很少的挥发物成分和具有与压制成型工艺相适宜的一定可溶性树脂流动程度。干燥过程的实质，是载热体的传热和载湿体的传质的相互不断转化的过程。干燥介质（热空气）将热传递给浸有树脂胶液的湿物料上。湿上胶纸（布）表面湿份汽化，并通过表面的气膜向气流主体（循环的热空气）扩散。与此同时，由于上胶纸（布）表面湿份汽化的结果，使上胶纸（布）内部的湿份以气态或液态的形式向表面扩散。不断循环的干燥介质即是载热体又是载湿体。随着加热干燥的深入，上胶纸（布）树脂结构从A阶段向B阶段转化。上胶纸（布）的树脂发生一定的缩聚反应，交联密度和分子量在不断增加。当干燥加工结束时，可溶解于有机溶剂（主要是丙酮等）A,B阶段树脂的结构成分，一般要减少到75%-95%。而严格控制树脂的固化转化程度是十分重要的。当转化程度过高，在层压加工中的树脂流动性差，板的外观及许多其它性能都会下降；而转化程度太低，也不利于板的层压加工工艺性，还会造成在压制初期的树脂流出过多，板的品质也会受到影响。

（3）层压成型
覆铜板的层压成型加工阶段，主要包括配料、叠合（又称为“叠BOOK、“铺板”）、压制、卸板、剪切等几大工序。其中在压机中通过高压高温的压制成型，是此加工阶段的最关键环节。压制加工是在液压式压机中，完成板的最后的成型加工。玻纤布基CCL在压制加工中绝大多数是采用真空压机。它有利于板的厚度的更均匀、成型压力较低有利于板的平整度提高、在压制过程中树脂会更容易的对纤维增强材料间隙进行熔融再渗透从而有利于降低板的吸水率等。

在压机上的压制加工，是通过预温、热压、冷却三个不同的工艺控制阶段而连续完成的。纸基CCL的层压成型加工，目前由于生产技术的水平提高，国内外大多数厂家可以达到直接高温、高压的压制工艺法。而玻纤布基CCL，有一步法和两步法之分。所采用的“两步法”是在较低的温度、压力下先进行预温，然后再加压、升温。

半固化片在层压成型加工中，其树脂发生这样一个变化过程：在受热受压下，它先软化、熔融、高分子物变为粘流态，随着温度逐步升高和时间的延续，树脂发生交联、固化反应，它的粘度也随之增大，当达到凝胶点时树脂粘度迅速增大，其树脂结构由以前的线状（A阶段）、支链状（B段）始变成为网状大分子的结构。特别表现在达到凝胶点前，熔融的粘流态树脂可以“拉丝”，但变化到凝胶点之后，而会出现“断丝”。

层压成型加工过程中，使上胶纸（布）的树脂在纤维增强材料间隙中，进行短时间的熔融再渗透（这种熔融渗透，曾在上胶加工时的干燥过程的初期已进行过）和熔化流动。然后，再由树脂的B阶段支链状结构，经过一段时间的交联反应，过渡到C阶段的大分子网状结构，完成板的固化成型。因此，掌握半固化片树脂的流动、浸润渗透、粘度、分子结构、固化程度等变化规律，和设计、控制好压制加工中的各个工艺参数，是此加工阶段特别要把握的两个重要方面。

三、原材料、工艺过程对PCB基板材料主要性能的影响
简单通俗的讲，覆铜板是由树脂粘合剂、纤维增强材料、铜箔三大主要原料所组成的。而覆铜板产品的制造工程，是由树脂胶液制作、浸胶、层压成型三大主要加工工序所构成的。表2-9简要归纳了覆铜板在制造过程中，树脂组成、纤维增强材料、铜箔、增强材料的浸胶加工、层压成型加工五个最关键要素对覆铜板产品性能的影响方面。

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