CN101803474B - 载体箔片 - Google Patents

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Abstract

为了提供用于电路板的载体箔片，所述载体箔片特别适用于很高的构件密度，而提出：由如下的聚合物材料制备所述载体箔片，该聚合物材料包括可热塑加工的、基本完全氟化的塑料材料。

Description

载体箔片
本发明涉及一种用于柔性电路板的、具有一个或多个箔片层的载体箔片，该载体箔片由聚合物材料制得。
为了良好的强度值，常规的FR4-型的电路板需要相对较大的层厚度。在与相对较差的介电性能相关联的情况下，该电路板仅允许待装配的电子器件具有很小的构件密度。
对于现代世界电子产品要求很高的许多应用，例如移动电话、手提电脑或移动电子游戏机，以及汽车的车距雷达中要求很高的许多应用，不会使用常规的标准电路板。
在所述应用中，通常使用基于以聚四氟乙烯(PTFE)涂布的玻璃织物的、必要时具有PTFE-箔片镀覆物(Kaschierung)的高性能电路板。除此之外，还使用高性能聚合物箔片，所述高性能聚合物箔片基于聚乙烯、液晶聚合物(LCP)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酰亚胺(PEI)或聚酰亚胺(PI)制得。同样呈柔性箔片形式的所述高性能电路板与标准电路板(简称FR4-电路板)相比虽然具有许多改善之处，但是也不能满足现有所有要求。
基于聚合物箔片和高性能聚合物箔片的电路板虽然可以非常薄地实施，并且有赖于其柔性而使得创新的装入状态成为可能，但是这种电路板也具有显著的缺点。
以PTFE涂布的玻璃织物凭借约2.4的相对介电常数εr而不具有最佳的PFTE介电性能。
当施加应力时，以PFTE涂布的玻璃织物中的空气夹杂(所谓的微孔)可能导致缺陷。微孔的产生归因于特定的涂布方法中，所述涂布方法需要将玻璃织物重复浸入PTFE分散体中，然后进行干燥并烧结。包含在PTFE分散体中的乳剂的剩余含量及该乳剂的分解产物的痕量保留在以PTFE涂布的玻璃织物电路板中，并且消极地影响到材料PTFE在该应用中的性能潜力。特别地，所述残余物对介电损耗因子(tanδ)和相对介电常数εr产生影响。
以PTFE涂布的玻璃织物具有相对粗糙的表面，这是因为施加典型的使用量时，玻璃织物自身还要表现在该表面上。
在安设有铜层之后，粗糙的表面(正如特别是在以PTFE涂布的玻璃织物中出现的粗糙的表面)在与所谓的蒙皮效应相关联下产生了相对高的介电阻尼系数(高tanδ)。通过蒙皮效应人们理解如下事实，即，负责产生电流的(负)载流子由于其相互的排斥而优选在电导体的表面的流动。蒙皮效应随着频率增加而升高。在相同方向上，对表面质量的要求也增加。
同样地，在通过剥落工艺制备的PTFE箔片中发现粗糙的表面。在这种情况下，粗糙度特别是由基于剥落工艺由剥落刀具产生的、纵向定向的沟纹所形成。因此，在将纵向值与横向值进行对比时，借助剥落工艺制备的PTFE箔片的机械性能通常不同。在横向上测定的值，特别是抗拉强度和断裂伸长率的值，与在纵向上测定的值相比，可以最多低50％
基于聚合物和高性能聚合物制备的电路板典型地以良好的表面性能而见长。然而，随着时间的推移，许多聚合物在与水或者空气水分直接接触的情况下吸收水分的趋势对电路板的性能产生消极影响。在使用寿命内，由于进一步继续吸收水，而使原始干燥状态的性能数据不断下降。聚酰亚胺(PI)相对强烈显著的水吸收趋势被证明对于电路板应用是非常不利的。在基于PI的载体箔片中，常规地将铜箔片滚压到PI载体箔片上，这基于工艺技术使得18微米和更大的层厚度是必需的。如果电路板的预设的应用需要较小的铜层厚度，则必须通过复杂的腐蚀方法在后续的工艺步骤中再将多余的铜层厚度除去。
液晶聚合物(LCP)以大大降低的水吸收趋势而见长。在有利的情况下，与PI相比，可观察到最多以系数约100降低的水吸收。但是，LCP是比较脆的，并且特别在承受振动负荷的应用中，容易发生机械损坏或者甚至发生电路板折断。另外，LCP是非常昂贵的材料并且因此在用于电路板结构的应用中限制于小范围。
本发明的任务是提出一种用于电路板的载体材料，这种载体材料避免了上述问题并且特别可以提供经济的成本。
通过根据权利要求1所述的载体箔片来解决所述任务。
对于可热塑加工的塑料材料可被理解为是如下材料：这种材料具有不为零的熔融流动指数(ASTM试验D1238-88，在372℃，5千克的负荷下，在最大的挤出物收集时间(Extrudat-Auffangzeit)为1小时的情况下)
根据本发明使用的、可热塑加工的、基本完全氟化的塑料材料特别在挤出法中加工成箔片，从而能够以简单的方法并且在具有良好表面性能的情况下制备根据本发明的载体箔片。
作为完全氟化的热塑性塑料材料，优选使用可热塑加工的PTFE。大量这种材料例如在WO 01/60911和WO 03/078481中有所介绍。
在这里，特别可以考虑的是四氟乙烯(TFE)共聚物，其中，共聚单体份额少于3.5摩尔％，这是因为在此保持尽量获得PTFE性能，并且尽管如此，还要使热塑加工是可行的。还优选共聚单体份额限制在小于约3摩尔％，更优选地，共聚单体份额小于约1摩尔％，例如为0.5摩尔％或更少。
优选的共聚单体(其一方面可以保证良好的可热塑加工性并且另一方面与PTFE相比能尽量不改变材料性能)为六氟丙烯、全氟烷基乙烯基醚、全氟(2，2-二甲基-1，3-二氧杂环戊烯)和三氟氯乙烯。
除了TFE共聚物之外，还可以使用PTFE与一种或多种可热塑加工的塑料的共混聚合物作为本发明待使用的完全氟化的塑料材料。
其他的塑料特别选自PTFE微细粉末的组。在此，涉及的是与高分子(标准)PTFE相比，具有较低分子量和较低熔融粘度的PTFE类型。这种PTFE类型典型地通过乳剂聚合、通过高分子PTFE在挤出机中的热机械降解或者通过高分子PTFE的辐照降解以及随后的研磨工艺制得。
高分子(标准)PTFE与低分子PTFE微细粉末之间的性能差别可以例如如下示出(vgl.S.Ebnesajjad，Fluoroplastics，Vol.1，Non-MeltProcessible Fluoroplasties，Verlag William Andrew Publishing，2000)：
  产品   分子量   380℃下的熔融粘度，以Pa·s计
  标准PTFE   约106-约108   约1010-约1013
  微细粉末   约104-约106   约102-约105
对于这种共混聚合物的示例见于公开文献WO 01/60911和WO03/078481中。
根据本发明的载体箔片凭借约2.1的相对介电常数εr，而具有与以PTFE涂布的玻璃织物相比明显更好的数值。
完全氟化的塑料的大大显著的疏水性是引起本发明载体箔片在电路板的使用寿命期间极低的水吸收的原因。由此，在长时间内，即便在潮湿环境内也几乎完全保持原来的材料性能和电路板性能。
由于根据本发明所要使用的塑料材料的特定分子结构，即便在高温和光线(特别是紫外线)作用下，根据本发明所使用的塑料材料也以非常好的抗老化性能见长，以及以微小的形成裂缝和脆性的倾向而见长。
根据本发明所使用的完全氟化的塑料材料在直至液态氦温度的非常宽的温度范围之内在材料的性能方面不发生跳跃性变化，这一事实允许在电子应用中也使用根据本发明的载体箔片以及由其制成的电路板，在电子应用中，为了实现最小的电阻而需要以氦冷却为条件。
在许多电子应用中，优秀的表面性能和突出的介电性能导致最小的阻尼值，并且使得在与较高(与常规的基于聚合物和高性能聚合物的电路板的情况相比)信号频率结合下的使用成为可能。
在与长时间内极少的水分吸收相组合下，根据本发明的载体箔片开辟了在汽车领域中的应用，例如高频车距雷达等。
根据本发明的载体箔片也可以用较少开支以多层的方式来制备，这在具有高构件密度的高度集成电路中是特别有利的。
优选地，根据本发明的载体箔片或其中一个层具有铜镀覆物，其中，根据本发明的载体箔片可特别地作为该镀覆物的基底。因此，与迄今在现有技术中将铜箔片滚压到聚合物箔片上的情况相比，可以转为更薄的铜层。
所述铜层的厚度可以在很宽的范围内改变。典型地，该厚度在1微米与20微米之间。
本发明的一个优点是可以制备特别薄的铜层，该铜层具有高粘着性和高统一性。
以冷却辊方法制备的箔片是特别有利的。冷却辊侧和箔片的对置侧具有稍微不同的表面粗糙度。这允许了通过选择合适的侧作为待镀覆的侧(导体电路侧)而在导电铜层的非常好的粘着性与即便高频应用下很小的阻尼值之间寻求优化。
根据本发明的载体箔片的聚合物材料优选具有约50重量％或更多的无定形份额。
该含量也可以在冷却辊方法中制备箔片时进行简单地计算。
优选地，所述载体箔片的层在第一表面上的算术平均粗糙度为约1微米或更少，并且在对置侧上(冷却辊侧)，算术平局粗糙度为约0.8微米或更少。
在根据本发明的另一优选的载体箔片中应注意的是，该载体箔片的层在第一表面上的表面粗糙度(以算术平均粗糙度表达)为约0.6微米或更少，特别是为约0.3微米或更少，并且在对置侧上(冷却辊侧)，表面粗糙度为约0.5微米或更少，特别是约0.25微米或更少。特别优选的是冷却辊侧的算术平均粗糙度为约0.2微米或更少的箔片。
另外，优选的载体箔片的单个层的表面具有如下的粗糙深度，该粗糙深度为约2.5微米或更少，特别是为2微米或更少。
为了测定上述表面性能，Mahr公司的商标名为Marsurf XR20的测量设备是适合的。
另外，本发明涉及一种正如权利要求18中所详细限定的、用于制备根据本发明的载体箔片的方法。
根据本发明的方法制备的载体箔片可以非常好地具备铜镀覆物，该铜镀覆物具有良好的粘着性。
对于所述镀覆，特别优选的是用于电沉积(以化学或电化学的方式)铜层的方法。
推荐的是：在电沉积铜层之前，对载体箔片的层的待镀覆的表面进行活化。所述活化可以包括对表面进行粗糙化，以改善铜层和层表面之间的机械粘合。
对表面的粗糙化可以包括通过离子束技术或离子径迹技术、和/或等离子体束和/或电子束和/或激光束来处理该表面，上述方式导致对表面进行纳米结构化。
为了进行铜镀覆，首先，优选紧接在表面粗糙化之后并且进一步优选借助离子方法和/或等离子体方法，形成包含纳米复合物的、纳米结构化的过渡层。然后，通过真空涂覆，将铜起始层施加到所述过渡层上。然后，特别以电镀的方式，也就是以化学工艺或电化学工艺，将铜层的主体部分施加到铜起始层上。
由WO 2005/084940分别介绍了所述特别优选的用于表面处理和随后进行铜镀覆的方法，正如这些方法适用于根据本发明的载体箔片的制备那样。与在WO 2005/084940中提及的基底、特别是剥落的PTFE箔片相对照，根据本发明的载体箔片的优点在于具有显著改善的表面质量，这表现在较小的算术平均粗糙度和较小的粗糙深度。
与表面的粗糙深度相区别的是：介绍了如在其他部位处于纳米范围内的所想要的粗糙化。该粗糙化导致：在不明显妨碍阻尼性能的情况下，铜层在表面上更好的机械固着。
另选地，也可以通过化学腐蚀进行粗糙化。
粗糙化在此特别是指：实现纳米范围的表面结构。
另选地，载体箔片的层的表面的镀覆可以包括借助溅射法来施加很薄的导电铜层。特别地，溅射法可以通过物理气相沉积(PVD)法或化学气相沉积(CVD)法或者借助阴极溅射来实施。
另外，与剥落的箔片相比，根据本发明的载体箔片具有较高的平均屈服应力和更好的收缩表现，也就是说，具有更好的尺寸稳定性，这在总体上实现了根据本发明的载体箔片更简单的操作以及更好的产品质量。
此外，在剥落的箔片中，观察到不利的各向异性表现，而在根据本发明制备的载体箔片中避免了该各向异性表现。
相对于之前所介绍的铜镀覆法另选地，可以使用传统的层压法，在所述层压法中，通过多层压力机将铜箔片与载体箔片层结合。
但有利的是如下的层压法，在该层压法中，借助双带压力机将载体箔片层与铜箔片连续地相互结合。在此可以实现所谓的卷对卷式(Rolle-zu-Rolle)生产，与使用多层压力机的非连续方法相比，卷轴对卷轴式生产明显更为经济地运行。
最后，可以将载体箔片的两个或多个层以传统的层压法相互结合成层压体。
由可热塑加工PTFE制备载体箔片
为了以挤出法来加工根据本发明所要使用的完全氟化的塑料材料，推荐使用专门的机械装备。
由于在对氟化的热塑性塑料的加工过程中生成氟化氢，所以推荐将所有与熔体发生接触的部分设计为耐腐蚀的(例如由Hastelloy C4或Inconel 625制成)。
另外，为了保证对氟化的热塑性塑料的优化加工，推荐使用螺杆10，螺杆10具有如其例如图1所示的螺杆几何形状的设计并且介绍如下。
所述螺杆10包括进料区12、压缩区14和计量区16.
所附示例性的螺杆参数如下所示，其中，D代表螺杆的公称直径。
有效螺杆长度          约25D
进料区长度            约13至约14D
压缩区长度            约5至约6D
计量区长度            约5至约6D
螺距a                 约1D
螺纹宽度b             约0.1D
进料区螺纹深度c       约0.16至约0.18D
计量区螺纹深度d       约0.06至约0.07D
压缩比                约2.5至约2.7
使用共聚单体含量为0.5摩尔％的TFE共聚物作为聚合物材料。所述共聚单体为全氟正丙基乙烯基醚(PPVE)。
由上述装备制得的、具有例如约25微米至约500微米层厚度的载体箔片可以制成柔性的电路板，正如在后面简短地示例性介绍的那样。虽然不同的技术适用于在根据本发明的载体箔片上施加铜镀覆物，但是在WO 2005/084940 A1中所介绍的方法是优选的。由此，可以制成特别不含粘合剂的电路板。
首先，优选借助特定的、上文已介绍的方法对以冷却辊方法制得的箔片进行粗糙化。在此形成的表面结构同样可以利用“纳米礁(Nanoklippen)”进行结构化。然后，通过离子加工步骤和/或等离子体加工步骤形成纳米结构化的、含有纳米复合物的过渡层，该过渡层优选从所述表面到箔片材料具有2微米或更少的延展。紧接着，借助铜进行箔片表面的金属化。该很薄的铜层，即所谓的铜起始层也被称作铜种子层。基于上述处理，所述铜层与载体箔片形成粘着牢固的复合体。
然后，例如借助化学沉积或电化学沉积将铜层施加到所述铜起始层上，所述铜层具有对于各种应用所需的层厚度。在WO 2005/084940的图3中示出了这种具有铜镀覆物的箔片。在这里，允许对该所附附图介绍进行参引。

Claims (26)

1.用于柔性电路板的、具有多个箔片层的载体箔片，所述载体箔片由如下聚合物材料制得，所述聚合物材料包括能热塑加工的TFE共聚物，所述TFE共聚物具有共聚单体份额约2摩尔%或更少，其中，以冷却辊来制备所述箔片的层，以及其中，所述载体箔片的一个层或多个层是以铜镀覆的。
2.根据权利要求1所述的载体箔片，其特征在于，共聚单体份额为约1摩尔%或更少。
3.根据权利要求2所述的载体箔片，其特征在于，共聚单体份额为约0.5摩尔%或更少。
4.根据权利要求1至3之一所述的载体箔片，其特征在于，所述共聚单体选自六氟丙烯、全氟烷基乙烯基醚、全氟-（2,2-二甲基-1,3-二氧杂环戊烯）和/或三氟氯乙烯。
5.根据权利要求4所述的载体箔片，其特征在于，所述共聚单体是全氟烷基乙烯基醚。
6.根据权利要求5所述的载体箔片，其特征在于，所述全氟烷基乙烯基醚是全氟正丙基乙烯基醚。
7.根据权利要求1至3之一所述的载体箔片，其特征在于，借助电沉积产生所述铜镀覆物。
8.根据权利要求1至3之一所述的载体箔片，其特征在于，所述铜镀覆物的厚度为约20微米或更少。
9.根据权利要求8所述的载体箔片，其特征在于，所述铜镀覆物的厚度为约12微米或更少。
10.根据权利要求9所述的载体箔片，其特征在于，所述铜镀覆物的厚度为约6微米或更少。
11.根据权利要求9所述的载体箔片，其特征在于，所述铜镀覆物的厚度为3微米或更少。
12.根据权利要求1所述的载体箔片，其特征在于，所述聚合物材料在单个层中的无定形份额为约50重量%或更多。
13.根据权利要求1或12所述的载体箔片，其特征在于，所述载体箔片的层在第一表面上的算术平均粗糙度为约1微米或更少，并且在冷却辊侧的对置表面上的算术平均粗糙度为约0.8微米或更少。
14.根据权利要求13所述的载体箔片，其特征在于，所述载体箔片的层在第一表面上的算术平均粗糙度为约0.6微米或更少，并且在冷却辊侧的对置表面上的算术平均粗糙度为约0.5微米或更少。
15.根据权利要求14所述的载体箔片，其特征在于，所述载体箔片的层在第一表面上的算术平均粗糙度为约0.3微米或更少，并且在冷却辊侧的对置表面上的算术平均粗糙度为约0.25微米或更少。
16.根据权利要求14所述的载体箔片，其特征在于，所述对置表面的算术平均粗糙度为约0.2微米或更少。
17.用于制备根据权利要求1至16之一所述的载体箔片的方法，所述方法包括：
以冷却辊方法制备所述箔片的层，其中，以如下方式调整所述冷却辊的温度，即，实现无定形份额为约50重量%或更多，其中，对所述层的至少一个设有铜镀覆物。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，将所述铜镀覆物电沉积在层上。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，在电沉积所述铜镀覆物之前，对待镀覆的表面进行活化。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，对所述表面的活化包括对表面进行粗糙化。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，对表面的粗糙化包括借助离子束技术或离子径迹技术、和/或等离子体束和/或电子束和/或激光束来处理所述表面。
22.根据权利要求17至21之一所述的方法，其特征在于，为了进行铜镀覆，首先通过真空涂覆直接在包含纳米复合物的、纳米结构化的过渡层上形成铜起始层，并且通过化学工艺或电化学工艺以在所述铜起始层之上形成的方式来施加铜层的主体部分。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，借助离子方法和/或等离子体方法来形成含有纳米复合物的、纳米结构化的过渡层，并且以化学的方式或电化学的方式来施加所述铜层的主体部分。
24.根据权利要求17至21之一所述的方法，其特征在于，以层压法将所述载体箔片的两个层或多个层相互结合。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，借助多层压力机来实施所述层压法。
26.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，借助双带压力机基本连续地实施所述层压法。
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