完成人：廣東生物科技股份有限公司國家電子電路基材工程技術(shù)研究中心粉體研究所所長柴頌剛指導(dǎo)教師：張建輝

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廣東省創(chuàng)新工程師培訓(xùn)班企業(yè)工程課題破題案例 廣東生益科技股份有限公司：解決高填料含量板材銅箔粘合力低的問題

完成人：廣東生物科技股份有限公司國家電子電路基材工程技術(shù)研究中心粉體研究所所長柴頌剛
指導(dǎo)教師：張建輝

1　課題摘要

電子行業(yè)的無鉛環(huán)保要求，推動(dòng)了填料在覆銅板行業(yè)中的應(yīng)用，使用填料技術(shù)已成為提升覆銅板性能的重要手段，填料在覆銅板行業(yè)應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)是其含量的不斷提升。由于填料表面為惰性，填料含量的提升會(huì)造成銅箔與熱固性樹脂組合物的粘合力下降，這是本行業(yè)普遍存在的難題。

本論文采用創(chuàng)新方法，打破慣性思維，發(fā)明了一種非均勻的復(fù)合材料的制作方法和工藝。利用一種二次上膠工藝，獲得一種填料集中在中間，樹脂集中在表層的特殊結(jié)構(gòu)覆銅板，從根本上解決了無機(jī)填料對(duì)銅箔粘合力的影響。

該方法已申請(qǐng)中國專利1篇、PCT專利1篇；相關(guān)的方法和工藝經(jīng)過大規(guī)模工程化驗(yàn)證證明此法可行，并已在產(chǎn)品中獲得應(yīng)用，取得了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

2　問題描述與分析

2.1問題背景

覆銅板主要由樹脂和無機(jī)填料組成。樹脂保證了復(fù)合材料的粘合性和耐熱性；無機(jī)填料進(jìn)一步改善了復(fù)合材料的性能。電子行業(yè)的無鉛環(huán)保要求，推動(dòng)了填料在覆銅板行業(yè)中的應(yīng)用，使用填料技術(shù)已成為提升覆銅板性能的重要手段，填料在覆銅板行業(yè)應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)是其含量的不斷提升。由于填料表面為惰性，填料含量的提升會(huì)造成銅箔與熱固性樹脂組合物的粘合力下降。

通常解決此問題的辦法：一個(gè)是盡量降低填料的用量，一個(gè)是填料的表面處理。填料用量過低會(huì)導(dǎo)致性能不能滿足要求，因此填料表面處理只能部分改善粘合力不足的問題。專利CN101973145 B通過涂膠金屬箔來改善高填料含量熱固性樹脂與金屬箔的粘合性，但此方法只適用做雙面覆銅板，不能做多層板。

2.2問題描述

覆銅板體系中填料含量的增加，減少了銅箔與樹脂的結(jié)合面積，從而使銅箔與樹脂的粘合力下降。覆銅板上的銅箔在下游PCB工序中會(huì)蝕刻為線路，粘合力的下降會(huì)造成線條脫落，使電子產(chǎn)品失效；PCB經(jīng)過高溫焊接時(shí)易出現(xiàn)銅箔與樹脂基體分層的問題，使電子產(chǎn)品不能使用。

本課題的目標(biāo)是在不降低填料用量的條件下，探討如何減少和消除填料的影響，提高銅箔與樹脂的粘合力。

圖1　覆銅板與銅箔圖片

圖2　垂直切片、銅箔和芯板圖片

圖2，左邊為覆銅板的垂直切片圖，可以看出，銅箔通過銅牙與樹脂基體鉚合，提供粘合力。中間圖片為覆銅板剝離下來的銅箔，可以看出銅箔的銅牙上有受力拔掉的樹脂。右圖為剝離銅箔后的樹脂面，白色的為無機(jī)填料，銅牙脫落后形成空洞，右圖可以看出在部分銅牙與無機(jī)填料接觸時(shí)，無機(jī)填料的惰性表面特性決定其沒有粘合力。所以粘合力下降的根本原因是：無機(jī)填料含量的增加，減少了樹脂與銅箔結(jié)合面積。因此理想解的情況是填料在樹脂中發(fā)揮其特性，但不與表層的銅箔接觸。

2.3問題分析

物質(zhì)場分析

工具S2：填料

目標(biāo)S1：銅箔

場F：化學(xué)場

分析：樹脂基體通過化學(xué)鍵與銅箔產(chǎn)生粘合性。同時(shí)由于基體中的無機(jī)填料的存在，化學(xué)結(jié)合力不足。

結(jié)果：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)解1.2.1（No.9）可知，當(dāng)前的情況屬于同時(shí)存在有利（填料提高性能）和有害作用（填料降低粘合性），我們可以引入S3使S1銅箔和S2中的填料不直接接觸，從而消除有害作用。

⑴資源分析

物質(zhì)資源：填料、基材各組成、銅箔、空氣、產(chǎn)品、輥軸

場資源：壓力、熱量、重力、拉力、摩擦力、切削力、熱張力

空間資源：基板空間

時(shí)間資源：覆銅板的各生產(chǎn)工序時(shí)間

信息資源：溫度、壓力、速度、拉力

功能資源：基板的組成可調(diào)節(jié)

⑵沖突區(qū)域確定

為了提高性能，需要提高填料含量。

為了提高粘合性，需要降低填料含量。

改善的參數(shù)：可靠性(板材可靠性）

惡化的參數(shù)：靜止物體的面積（銅箔與樹脂接觸面積減少）

改善的參數(shù)：力(銅箔與樹脂的粘合力）

惡化的參數(shù)：物質(zhì)產(chǎn)生的有害作用（板材的性能不滿足）

改善的參數(shù)：強(qiáng)度(填料改善板材可靠性）

惡化的參數(shù)：物質(zhì)產(chǎn)生的有害作用（銅箔與樹脂的粘合力）

得出的發(fā)明原理：32-改變顏色，35-改變特性，40-用復(fù)合材料替代，4-增加非對(duì)稱性，1-分割，18-機(jī)械振動(dòng)

⑶因果分析

圖3　因果分析圖

2.4發(fā)明問題確定

⑴根據(jù)物質(zhì)場分析，加強(qiáng)場的作用，得出的發(fā)明問題：一種保證板材性能又保證粘合力的板材。

⑵根據(jù)沖突區(qū)域確定，得出的發(fā)明問題是：一種保證板材性能又可以保證粘合力的板材組成。

3.擬采取的解決方法和解決方案

3.1擬選用的技術(shù)創(chuàng)新方法

物質(zhì)場：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)解1.2.1（No.9）可知：當(dāng)前的情況屬于同時(shí)存在有利（填料提高性能）和有害作用（填料降低粘合性），我們可以引入S3使S1銅箔和S2中的填料不直接接觸，從而消除有害作用。

通過物質(zhì)場分析，需要引入一種新的物質(zhì)S3從而使銅箔與填料不直接接觸。

⑴通過查閱文獻(xiàn)和專利，我們知道有一種填料表面處理技術(shù)，也就是在填料表面包覆一層不同性能的有機(jī)物質(zhì)。我們考慮選用不同種類的表面處理劑，既可以改善填料的分散性又可以提高與樹脂的結(jié)合力。從而在不影響覆銅板性能的前提下，改善銅箔的粘合性。（行業(yè)普遍方案）

⑵可以在銅箔毛面涂覆一層樹脂，阻擋填料與銅箔的接觸。

因果分析：

⑴加入膠水前的填料進(jìn)行表面處理。

⑵粘結(jié)片中的填料排布在樹脂中間，而不是表層。

⑶層壓中填料不與銅箔接觸。

⑷層壓的銅箔涂覆一層樹脂。

沖突：

⑴運(yùn)用參數(shù)變化原理（35），選擇最佳的層壓工藝。⑵增加非對(duì)稱性（4），改變填料在板材中的分布。

⑶分離原理解決物理沖突。我們面臨的物理沖突是填料的用量，通過空間分離，把填料集中在板材中間，板材表面為膠水，從而解決填料含量既要高又要低的沖突。

小人法：

⑴層壓過程中，樹脂小人與銅箔小人接觸，填料小人不接觸銅箔小人；⑵樹脂小人包覆在填料小人周圍。

3.2技術(shù)創(chuàng)新方法應(yīng)用過程

⑴問題提出：行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)需要填料用量提高但由此產(chǎn)生負(fù)面影響，粘合力降低。

⑵問題分析：采用物質(zhì)場、因果分析、沖突區(qū)域、資源分析。

⑶工具選擇：有沖突采用矛盾矩陣。采用76標(biāo)準(zhǔn)解。小人法。

⑷解的解析：比較各種解的優(yōu)劣。方法在實(shí)際工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用，解決操作問題。

⑸實(shí)施：在實(shí)驗(yàn)室評(píng)估驗(yàn)證可行性，開展工業(yè)化應(yīng)用。

3.3形成的初步解決方案

⑴新的物質(zhì)S3使銅箔與填料不直接接觸。填料表面包覆一層不同性能的有機(jī)物質(zhì)。我們考慮選用不同種類的表面處理劑，既可以改善填料的分散性又可以提高填料與樹脂的結(jié)合力。

⑵可以在銅箔毛面涂覆一層樹脂，阻擋填料與銅箔的接觸。樹脂與銅箔結(jié)合力好，從而提升銅箔的粘合性。

⑶增加非對(duì)稱性。改變填料在板材中的分布。在不降低填料含量的條件下，將填料集中在中間層（靠近玻璃布位置），從而使無機(jī)填料不與銅箔接觸，從根本上解決填料的影響。

⑷多孔物質(zhì)?？紤]無機(jī)填料表面多孔化，樹脂可以流入孔洞，增加填料對(duì)樹脂的鉚合力，從而提高粘合性。

4　最終問題解決方案

方案1是行業(yè)公知技術(shù)，目前主要問題是受填料包覆工藝難度的限制，改善效果不明顯。

方案2是公司的專有技術(shù)，已申請(qǐng)專利，并部分采用。目前問題是該方法只適用于做雙面板，不適用于做多層板。（因?yàn)槎鄬影宓膲褐剖俏覀働CB客戶完成）。

方案3效果明顯，工藝簡單可行，是我們采納的最終解決方案。

具體實(shí)施方案如下：

圖4　實(shí)施方案3

采用兩次上膠工藝，第一次上高填料含量膠水；第二次上不含填料膠水。這樣填料全部集中在粘結(jié)片的中間，保證了在壓合時(shí)填料不與銅箔接觸，從根本上解決了填料影響粘合性的問題，提高了70%的粘合性。產(chǎn)品垂直切片圖如下：

圖5　垂直切片圖

相應(yīng)的方法已申請(qǐng)中國發(fā)明專利一篇《一種熱固性樹脂夾心預(yù)浸體》；PCT發(fā)明專利一篇《Thermosetting resin sandwich prepreg, preparation method there of and copper clad laminate there from》：

圖6　專利申請(qǐng)受理通知書

圖7　專利合作條約

該方法經(jīng)過工業(yè)化驗(yàn)證可行，已在公司產(chǎn)品中大規(guī)模推廣。下圖是大生產(chǎn)中的使用圖。該方法獲得較好運(yùn)用，初期的設(shè)想獲得實(shí)現(xiàn)。

圖8　大生產(chǎn)中（一次上膠中）

圖9　大生產(chǎn)的產(chǎn)品切片圖片