吳永明，周文英

（西安科技大學化工學院，西安，710054）

芳綸纖維性能分析及其在電子產品中的應用

吳永明，周文英

（西安科技大學化工學院，西安，710054）

探討了芳綸纖維族的性能與特點。報道了松下電工ALIVH產品工藝設計與特點，并詳細探討了ALIVH工藝流程。并指出對開發(fā)高性能印刷電路板（特種印刷電路板）的借鑒作用。

芳綸（Kevlar）； ALIVH；芳綸無紡布環(huán)氧樹脂印刷線路基板

芳綸由于其優(yōu)異的性能被稱為全能纖維，是綜合性能最好的有機纖維之一，對位芳綸纖維具有優(yōu)異的力學性能、電絕緣性能、透波性能以及尺寸穩(wěn)定性能。在高精尖端領域尤其是電子領域具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。對位芳綸的開發(fā)已成為促進我國國防軍工及相關產業(yè)快速發(fā)展的迫切需要。

1　綜合性能

1.1芳綸纖維的結構

芳綸具有很高的結晶度。Kevlar29纖維的晶粒尺寸小于5.2nm，而Kevlar49大于5.8nm。徑向的褶疊狀結構經過交替的面以相等但相反的角度堆積而成。薄片間分子的引力屬于范德華力。這就解釋了為什么Kevlar纖維有較低的縱向剪切模量和橫向性能。對Kevlar纖維來說，PPTA晶粒與纖維之間的角度在15o～20o之間，而對Kevlar49纖維則為10o或更小。

Kevlar纖維的一個顯著特點是其結晶結構中大量微纖結構。通過等離子體腐蝕Kevlar纖維揭示了其具有定向纖維結構。沿著纖維軸向排列的彎曲的微纖寬度約為600nm，長度可達幾個厘米。每一個微纖呈現(xiàn)出間距30～40nm的一系列的帶狀物，這被認為是缺陷層 分隔和晶面的堆積所致。從橫截面來看，Kevlar纖維的結構是不均一的，表現(xiàn)出一種表層-內部的不同行為，表層有著更高程度的微纖取向，比內部密度更大。

圖1　Kevlar纖維的微觀褶疊狀結構

1.2芳綸纖維的性能

由于芳綸（芳香族聚酰胺）纖維具有優(yōu)異的化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性及高強、高模等特性，因此作為高性能特種纖維，已廣泛應用于眾多領域，得到了世界各國的廣泛關注。芳綸纖維用途廣泛，用量在三大高性能纖維中（芳綸、碳纖維和高強高模聚乙烯纖維）居首位。芳綸纖維從20世紀50年代開始發(fā)展，早期的芳綸，如杜邦公司生產的Nomax，即間苯二甲酰間苯二胺，有良好的熱穩(wěn)定性，但是拉伸強度不高。新一代的高強度、高模量的芳綸是70年代在Kevlar和同事的工作的基礎上發(fā)展起來的。作為一類高性能材料，芳綸料的優(yōu)異性能在不同的領域被被開發(fā)應用，其市場需求也將迅速增大，特別是在高性能芳綸纖維的需求上將表現(xiàn)得更為突出。現(xiàn)在主要有兩種芳綸：1972年由杜邦公司生產的Kevlar纖維和1985年由日本Teijin公司生產的Technora纖維。

芳綸纖維拉伸強度高。單絲強度可達3773MPa；254mm長度纖維束的拉伸強度為2774MPa，大約為鋁的5倍。芳綸纖維的沖擊性能好，大約為石墨纖維的6倍，為硼纖維的3倍，為玻璃纖維的0.8倍。芳綸與其他纖維的性能比較見表1、2、3。

芳綸纖維具有良好的熱穩(wěn)定性，耐火而不熔，當溫度達487oC時尚不熔化，但開始炭化。所以在高溫作用下，它直至分解不發(fā)生變形，能長期在180oC下使用，在150oC下作用一周后強度、模量不會下降，即使在200oC下，一周以后強度降低15%，模量降低4%，另外在低溫（-60oC）不發(fā)生脆化，也不降解。

芳綸纖維的線膨脹系數(shù)和碳纖維一樣具有各向異性的特點?？v向線膨脹系數(shù)在0～100oC時為-2×10-6/oC；在100～200oC時為-4×10-6/oC。橫向線膨脹系數(shù)為59×10-6/oC。

1.3芳綸纖維樣品

圖2　凱夫拉Kevlar纖維部分產品樣品展示

圖3　微電子印制電路板產品樣品

2　芳綸電子產品開發(fā)及應用

2.1芳綸纖維在電子電器相關領域的應用

松下電器產業(yè)和松下電子部件公司（簡稱松下電工）用芳綸無紡布浸漬高耐熱的環(huán)氧樹脂使其成為電子封裝材料，固化后在表面貼上銅箔，制成印刷線路基板。（Copper Clad Laminate，全稱覆銅板層壓板，英文簡稱CCL）-----又名基材。將補強材料浸以樹脂，一面或兩面覆以銅箔，經熱壓而成的一種板狀材料，稱為覆銅箔層壓板。它是做PCB的基本材料，常叫基材，應用于印制線路板行業(yè)。當它用于多層板生產時，也叫芯板（CORE）。據(jù)稱其今后可望用于手提電話和PHS搭載的印刷線路的基板。松下電器產業(yè)株式會社臺灣的新工廠完工，以及各種層數(shù)的IVH（ALIVH）多功能多層樹脂板生成開始，這些產品主要用在智能電話終端方面。ALIVH系列的PCB采用的基材是非織造芳綸，其是耐熱和強大的合成纖維，并可通過與銅粘貼的激光填充孔使任意層之間互連。全球手機市場正從標準電話向智能手機（高功能終端）迅速轉變，在長遠看來其增長預期明顯。為了滿足日益增長的對這些高功能終端使用的PCB的需求，松下正在努力提高其原有的ALIVH多層樹脂的海外生產能力，以提供高密度多層板應用的優(yōu)勢。松下ALIVH作為其最優(yōu)的業(yè)務領域之一，主要是因為隨著智能手機的進一步發(fā)展，專用的多層樹脂板技術是高功能終端中一個必不可少的關鍵組成部分。該公司將繼續(xù)積極發(fā)展其ALIVH業(yè)務，以滿足世界各地的智能手機和其他移動終端制造商的需求。

芳綸纖維是一種新型的有機增強材料，相比覆銅板常用的無機玻璃纖維布來說，它具有質輕比強度高低介電易加工等優(yōu)點，適合制作一些高檔次的印刷線路板，如封裝材料輕薄短小通電子產品航天航空軍事等的應用領域.芳綸纖維同時也可以廣泛地應用于復合材料電氣絕緣結構件等領域。芳綸材料在通信電子領域的應用始于上世紀90年代初期，隨著電子信息業(yè)的飛速發(fā)展，作為電子信息產品基材的PCB面臨許多新的挑戰(zhàn)，其中輕、薄、小和高密度化成為發(fā)展趨勢，激光鉆孔技術同時興起。由于對位芳綸纖維的諸多優(yōu)點，滿足了當時的技術趨勢而備受關注。芳綸纖維相對于最常用的覆銅板增強材料玻璃纖維布具有如下突出優(yōu)點：有機增強材料，更適合激光鉆孔加工比重輕30%左右，有利于電子產品的輕量化；較低的介電常數(shù)，有利于提高板材的高頻特性，適應電子產品不斷提高的工作頻率；平面熱收縮特性，降低板材的平面熱膨脹率，有利于電子產品的高密度化，可用作各類IC封裝基板。當前，芳綸纖維成為PCB制造商開發(fā)應用的一個重要方向。芳綸纖維目前最成功的應用就是松下的ALIVH（Any Layer Inner Via Hole Strueture Multilayered Printed WiringBoard的簡稱）工藝，利用該技術，松下電工開發(fā)了當時世界上最輕薄短小化的手機PD系列。

2.2松下電工—各種高、中端印制板用基板材料。

松下電工產品主要有HIPER系列和MEGTRON系列。具體如：FR-1、FR-4、CEM-3、FPC系列。松下電工覆銅板 CEM-3 FR-1 FR-4 PCB，見表4。）

松下部分覆銅板樣例

（Ⅰ） 品牌：松下電工-覆銅板

型號：CEM-3R1786

規(guī)格（尺寸）：1020mm*1025mm；1220mm*1025mm；

規(guī)格（厚度/銅箔）：1.0TH/H1/1；1.6T H/H 1/1；

特長：1.優(yōu)良的耐漏電痕跡性（CTI 600）

2. 出色的耐CAF特性

3.卓越的板厚精度

4.獨特的制造工法、本公司制造過程中減少1/4的CO2排放量（與本公司一般FR-4相比）

用途：打印機、顯示器等辦公自動化設備、空調機、游戲機、調諧器、廚房電器、電源基版等。

（Ⅱ） 高·熱傳導性無紡玻纖覆銅板—高·熱傳導性CEM-3 R1787

特性/Features

①根據(jù)高·熱傳導性、使部品及導體（線路）的溫度上升得到抑制

②具有出色的耐漏電性（CTI 600）

③優(yōu)異的板厚精度，為±0.05mm，與通常復合覆銅層壓板相比，是其精度的3倍

④通過獨特的制造工藝，使制造過程中CO2的排出量減少75%（於敝司一般FR-4相比較）

特性/Applications

具有規(guī)格

—基材厚度0.8mm、0.9mm 、1.6mm

—銅箔厚度18/18μm、35/35μm

—尺寸規(guī)格1225*1025mm、1020*1025mm

表4　松下電工產品系列及其應用范圍

2.3松下電氣產業(yè)和松下電子部ALIVH工藝開發(fā)及芳綸纖維在印刷線路基板中的應用

2.3.1ALIVH工藝為目前芳綸纖維在電子領域最成功的應用。

具體來講，該公司設計者和開發(fā)者就是利用下面所述的材料及生產加工技術進行開發(fā)研究。

1.用二氧化碳激光高速地加工微細的過孔

2.基板材料采用???ド無紡布Ф1與環(huán)氧樹脂組成的復合材料

3.開發(fā)新的利用導電膠填充的層間連接技術

該生產加工技術不需要鉆孔和鍍銅，在各層進行積層的同時形成IVH，采用全層IVH構造，可以實現(xiàn)基板的小型化，由于在IVH上面也能安裝器件，所以能夠有效地提高安裝的密度.而且，因為采用了???ド無紡布，因而具有低介電常數(shù)、重量輕的特點。另外利用其低熱膨脹系數(shù)和平滑性，有望制作安裝倒裝片的MCM基板。

表5　ALIVH基本尺寸

內層的信號層為18μm厚的銅箔，最外層布線可以是18μm或者35μm厚的銅箔。因為多層板的各層層壓材料的厚度大約只有0.1mm，所以它可以做得相當薄，4層板的厚度只有0.35mm，6層板的厚度只有0.55mm。另外，由于不需要鍍銅過程，銅布線的厚度與銅箔的厚度完全一樣.因此和以往的方法相比，也有利于形成精細的模型.在工業(yè)生產上，線寬和間距分別可以達到6μm和90μm。而且，因為焊盤直徑可以做得很小，所以直接在片狀器件和半導體芯片的焊盤下面就能夠形成IVH，非常適合于高密度安裝。

表 6 ALIVH 基板性能

表6所示的是“ALIVH”的基板性能。采用新材料???ド無紡布，可以實現(xiàn)低熱膨脹系數(shù)、低電常數(shù)和輕量化。特別是由于???ド無紡布具有負的熱膨脹系數(shù)，可以通過它調整與環(huán)氧樹脂的組成比例來控制基板的熱膨脹系數(shù)，使其達到與陶瓷基板相同的程度.

“AIIVH”的材料、生產工藝和結構使得它具有以下一些特點。

1）實現(xiàn)基板尺寸的小型化并進行高密度的安裝。跟本公司以前的基板相比，面積可以減小30一50%；

2）用高強度的???ド無紡布制作基板，既薄又輕。

3）采用全層IVH的構造，可使布線最短，而且由于它的低介電常數(shù)，因此可以進行高速信號處理。

4）容易使用計算機進行自動設計， 能夠縮短設計周期。

2.3.2ALIVH采用了于???ド（芳香族聚酰胺類纖維）無紡布的基板材料

現(xiàn)在，一般使用的基板材料都是通過讓作為增強材料的玻璃纖維布浸漬含有熱硬化

樹脂即環(huán)氧樹脂制作而成。在本次開發(fā)中， 用能夠進行激光加工的???ド無紡布（全芳香族聚酞胺的總稱）作為增強材料，而其浸含的環(huán)氧樹脂與以往的相同。???ド無紡布是將紡絲得到的????纖維切割成短纖維而成，因此它具有了???ド纖維的高強度、高耐熱等特性，是優(yōu)秀的基板用增強材料。在本次開發(fā)中，使用的層壓材料就是用這種???ド不織布浸含高耐熱環(huán)氧樹脂（相當于FR一5）制作而成的。

“ALIVH”最新采用脈沖發(fā)振型二氧化碳激光加工機進行高速、微細地打孔加工。加工的方法是，讓激光通過電流鏡子［注Φ2］（galvanomirror）和fθ鏡頭［注Φ3］進行掃描，并在層壓材料上聚焦打孔，與傳統(tǒng)的機械方法—鉆孔加工相比，加工速度大約提高10倍（約100孔/秒）；利用

fθ鏡頭聚焦的區(qū)域范圍可以達到50mmx50mm，一個區(qū)域加工完了以后，X一Y載物臺帶著加工件移到下一個區(qū)域繼續(xù)加工。加工的孔徑最小大約可以達到150料m左右。另外，為了有效地利用激光的能量，可以將激光分成若干束，通過多個電流鏡子與印鏡頭在多個方向上進行加工。這樣可以同時對多塊層壓材料進行打孔加工。

使用導電膠實現(xiàn)新的層間連接方法

a）制作過程

IVH的連接不采用以前的鍍銅的方式，而是使用新開發(fā)的由銅粉、環(huán)氧樹脂和硬化劑組成的無溶劑型導電膠來進行連接。

圖6表示的是采用導電膠的“ALIVH”的制作過程的概況。首先，用脈沖發(fā)振型二氧化碳激光在層壓材料（浸含有環(huán)氧樹脂的???ド無紡布）上進行打孔加工。1個脈沖可以加工直徑約150μm的小孔。

圖5　ALIVH基本構造

接著，在這個孔穴中填充上面所述的導電膠。再在層壓材料的兩面加七兩層粗化銅箔（1/2OZ），在180～2000C的溫度下進行真空加熱、加壓。這樣就使得層壓材料中的樹脂以及導電膠中的樹脂硬化與銅箔粘合在一起，同時也完成了電氣上的連接。然后，使用以往的蝕刻法在基板兩面的銅箔上制作布線圖案，這樣就得到了內部具有IVH的畫面基板。

將經過上述步驟制作出的兩面基板作為芯子進行多層化處理。具體的過程是，在這個芯子的兩面把填充有前面所述的導電膠的層壓材料根據(jù)銅箔的位置疊加在一起，再一次進行熱壓，實現(xiàn)多層化處理。最后，對最外層的銅箔進行蝕刻處理，這樣4層基板就制作出來了。

在需要進一步多層化時，將這個4層基板作為芯子，再次重復上面的過程，就能很容易地制造出6層、8層基板。

對于使用導電膠的層間連接法，因為層壓材料和導電膠是在熱壓時同時硬化的，每個過孔的電阻都在1m?以下，達到以前鍍銅通孔的極低的連接電阻的同等程度。如上所述，本加工工藝不需要鍍銅過程，在地球環(huán)境的保護方面也是令人滿意的。

b）使用導電膠的層間連接的可靠性

圖6　ALIVH制作過程

本全層IVH多層基板構造的實現(xiàn)要點就是使用導電膠進行層間連接。表7說明了這種連接方法的可靠性。在低溫和高溫的放置試驗中、另外在高溫高濕的放置試驗中、在PCT的高濕空氣中的放置試驗中顯示出了極高的可靠性。導電膠采用銅粉作為填充物，在其兩邊還覆蓋著銅箔，因此即使氧化了也不會發(fā)生接觸不良。另外，在溫度循環(huán)、熱油試驗、回流焊接等的熱沖擊試驗中，電阻變化率也在10%以內，非常穩(wěn)定.還有熱油試驗、回流焊接試驗等等的試驗結果。不管采用哪個試驗條件，在2000C以上的溫度下都沒有發(fā)生斷線的情況；顯示了極高的耐熱沖擊的特性。

在本ALIVH工藝中使用了高性能纖維???ド（芳香族聚酰胺類）纖維，正是由于芳綸的優(yōu)異性能使其在PCB中得到了運用，目標是特種印制電路板的開發(fā)，開發(fā)高性能芳綸樹脂基印制電路板在尖端技術領域具有巨大的潛力。其有別于傳統(tǒng)板材的樹脂纖維體系配方設計。

表 7 使用導電膠的層間連接的可靠性

3　今后的展望

日本松下電工作為老牌的覆銅板制造和研究公司，研發(fā)水平名列前茅，處于世界第三位，不斷推出新產品以滿足下游需要。從技術的角度看，對提高自身產業(yè)水平很具有借鑒作用，對覆銅板技術革新有促進作用。

現(xiàn)在，正計劃將具有全層IVH構造的樹脂多層基板“ALIVH”應用到便攜式情報終端、計算機、計算機外圍設備等小型.高密度機器中去。與原來采用玻璃環(huán)氧基板相比，用同樣的器件設計電路，只需一半的基板面積就行了。

今后，將利用“ALIVH”的小型、高密度、低熱膨脹等特點，制作CSP（ChipSizePa-ckage）用的母板和倒裝片安裝用的MCM一L基板，關于這一點也正在討論之中。

注意并掌握芳綸在電子領域的開發(fā)應用這一前沿，展開對柔性印刷電路板、特種印刷電路板的關注與研究有助于提升國家科技實力。

［1］ 胡保全，牛晉川.先進復合材料［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2012.

［2］伊洪峰，魏劍.復合材料［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2010.

［3］ M. Alagar， A. Ashok Kumar， K.P.O. Mahesh etc. Studies on thermal and morphological characteristics of E-glass/ Kevlar 49 reinforced siliconized expoxycomposites［J］. European Polymer Journal Volume 36， Issue 11，November 2000， Pages 2449-2454.

［4］ 樹脂多層板“ALIVH”開發(fā)—在所有層之間形成IVH，實現(xiàn)高密度的安裝—松下電器產業(yè) 中谷 誠一·家本 勝秀·石田徹松下電子部品和田·彰

［5］ 張家亮. 世界覆銅板新品種新技術賞析（2）——松下電工兼容無鉛焊接的高耐熱低介

質損耗的 PCB 基板材料 R-2125. Printed Circuit Information印制電路信息 2009 No.1.

［注Ф1］：???ド無紡布：作為基板材料的增強材料。???ド（芳香族聚酰胺類）纖維是用來做防彈背心汽車輪胎等的高強度纖維，將這種纖維切短采用造紙技術便能制得????無紡布。

［注Φ2］：電流鏡子：把反射激光的鏡子裝在有四個旋轉方向的抽上，使得激光能夠高速地進行掃描.

［注Φ3］：fθ鏡頭：為使經過電流鏡子反射而進行掃描的激光在平面上聚焦而設計釣果焦鏡頭，通常由3～4枚鏡頭組合而成。

Aramid fiber properties and its application in electronic products

Wu Yongming，Zhou Wenying（Xi`an University of Science and Technology of School of Chemical Engineering，China，710054）

It is discussion on the family of aramid fiber of performance and features.and reporte the product and process design characteristics of Matsushita Electric ALIVH，and discussed in detail ALIVH process.It pointed reference to the development of high performance printed circuit board （special printed circuit board）.

aramid （Kevlar）；ALIVH；non-woven aramid epoxy printed circuit board