LCP覆铜板制作及其高频应用性能研究

朱永康 黄清华 周国云 王守绪 杨文君

（1.奈电软性科技电子（珠海）有限公司，广东 珠海 519040；
2.电子科技大学材料与能源学院，四川 成都610054；
3.电子科技大学江西电子电路研究中心，江西 萍乡 337009）

挠性印制电路板（flexible printed circuit board，FPCB）具有轻薄化、可弯折等优势特性，可有效改进电子产品高密度互连的需求［1］，使得电子产品的空间利用率、元器件的布设密度等均得到较大地提升。聚酰亚胺（polyimide，PI）具有耐热性好、柔性强、物理强度高、介电常数（Dk）/介质损耗（Df）较低等优势，因此一直以来都是挠性覆铜板重要的介质材料，市场占有率在挠性覆铜板产品中高达80%以上［2］。在高频信号传输领域，PI 因具有损耗低的特点，其传输特性表现突出，但同时也存长期应用缺陷，即高吸水性能。通常情况下，PI 的吸湿率可高达2%以上。PI 的吸水性导致其介电特性发生剧变，在高频特性下信号传输不稳定，损耗急剧增加。对天线这类用于信号收发的模块，其吸收特性更为致命［3］。

为了改进FPCB 的高频特性，采用液晶聚合物（liquid crystal polymer，LCP）替代PI 作为关键性介质层材料，用于解决PI的吸湿率高等问题，特别适用于5G 通信天线领域。从特性上来说，LCP 材料属于一种较完美的材料，具有良好的耐热、耐弯折、耐电及低损等性能［4-5］，但LCP 的各向异性、化学惰性等均导致其加工过程难度较高，同时合成LCP 覆铜板也存在较高难度。本文通过实验研究，采用涂布法制作了LCP 覆铜板材料，经过性能测试，LCP 覆铜板具备较好的综合热和电等性能。

1.1 实验材料与设备

商业化LCP 溶液、厚18 μm 的电解铜箔、商业化棕化溶液、乐普科层压机、棕化处理线和高温烘箱。

1.2 实验过程

先将18 μm 的铜箔进行酸洗，放入预浸液中10 s，然后放置于棕化液1 min，以实现表面粗化，提高铜箔与LCP溶液之间的物理锚合作用，增强其界面黏接力。预浸液和棕化液均在室温下处理。

使用刷子将LCP 树脂材料涂覆到已棕化的铜表面，然后静置30 min，再刷1 次，再静置1 h。将涂覆有LCP 树脂的铜箔放置在高温烘箱中预固化，预固化温度设为120 ℃，时间为30 min。在已预固化的铜箔上再叠加另外一层已棕化处理后的铜箔，将其放置在层压机中层压，主压温度设置为250 ℃，压力为120 bar，主压时间为30 min。主压结束后，自然降温至室温，取出后测试其性能。

1.3 性能表征

使用扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）Hitachi SU5000 对棕化后的铜表面进行形貌表征；
二次元影像测量仪（CNC3020）用于测试LCP材料的涨缩参数，剥离强度测试仪用于分析铜箔与LCP 材料之间的结合力。采用矢网（KEYSIGHT E5080B）测试LCP 覆铜板的介电常数、介质损耗、插损等参数，采用TA DSC250差热扫描仪分析LCP材料的耐热特性。

通过棕化处理后的铜表面SEM 形貌如图1所示。由图1可知，经过棕化后，铜表面形成了约1～2 μm 的凹凸形貌，经粗化的形貌有利于LCP 溶液渗入，提高铜箔与LCP材料之间的黏结力。

图1 铜棕化后的表面

经过实验获得的LCP 覆铜板样品，采用千分尺对LCP 铜箔测试其厚度均匀性，得到的厚度测试值见表1。通过2次涂覆后的LCP 与铜箔层压后的覆铜板厚度为51.3 μm，最大厚度偏差为3.6 μm，符合整体覆铜板厚度误差在10%以内的要求，LCP介质层厚度设计为15～20 μm。

表1 LCP覆铜板不同区域测试厚度

LCP 介质材料的热机械分析（thermal mechanical analysis，TMA）测试如图2所示。由图2可知，LCP材料在约200 ℃发生相变，即该温度点为LCP 材料的玻璃化温度（Tg）。相比环氧体系，LCP 材料具有更好的耐热性能，因此能够表现出如表1所示的优越尺寸稳定性。

图2 LCP介质层材料的DSC测试

LCP 覆铜板材料在蚀刻环境下及经过烘烤处理后，尺寸涨缩情况见表2。由表2可知，经过蚀刻后，由于缺少铜箔的固定作用，LCP 覆铜板会发生一定程度的膨胀，其膨胀率约为万分之五，远高于普通的PI 材料。此外，烘烤后的样品会发生收缩，收缩率约为万分之二，该涨缩性能属于正常范围。综上所示，LCP 覆铜板具有较好的尺寸稳定性。

表2 LCP覆铜板涨缩数据

针对不同样品测试获得的剥离强度如图3所示。由图3可知，LCP 覆铜板的黏结力约为 0.8 N/mm。与环氧树脂体系相比，该结合力偏低。这是由于LCP材料具有化学惰性特征，与铜之间的结合键合能力较弱，造成剥离强度偏低。由于采用棕化对LCP 材料进行化学锚合，因此整体剥离强度较好。通过热应力（288 ℃、10 s、3次）与冷热冲击后（100个循环，-55～125 ℃），该材料的黏结力表现较好，具有较好的热稳定黏结能力。

图3 LCP覆铜板粘接能力测试结果

在高频应用环境下，吸湿率对LCP 材料的作用非常关键。采用重量法测试LCP 覆铜板的吸湿率，测试结果如图4所示。由图4可知，LCP 的吸湿率约为0.3%，属于低吸湿率。相比PI 的高吸湿特点，LCP 材料在该方面表面更佳，适合应用于高频信号传输场景。

图4 LCP覆铜板吸湿率测试结果

LCP 材料的Dk、Df参数关系到其在高频挠性电路产品中的应用需求见表3。由表3可知，在5 GHz 和10 GHz 的测试环境下，LCP 覆铜板的Dk值约为3.18，Df值分别约为0.055 （5 GHz）和0.072（10 GHz）。该性能在高频材料中表现较优，经过105 ℃的高温及高温高湿处理后，LCP 覆铜板的介电性能仍非常稳定。因此，在常规加工过程中，LCP覆铜板性能受影响有限。

表3 LCP覆铜板Dk、Df测试结果

LCP 覆铜板材料的插入损耗测试结果如图5所示。由图5可知，LCP 的插入损耗为42 dB/m，与一般环氧体系约为56 dB/m 相比，LCP 覆铜板具有较好的低损耗特性，但与其他如聚四氟乙烯、聚苯醚等材料相比，本研究中LCP 材料Df仍偏大。由于在覆铜板压合前，LCP 的惰性促使其表面进行铜箔的棕化，表面粗糙度达到约2.0（Rz），使得插入损耗增加。

图5 LCP材料插入损耗测试结果

采用涂布法和棕化表面增强结合力的手段制作LCP 覆铜板，其后端均匀性在10%以内，尺寸涨缩在万分之五以内，具有较好的尺寸稳定性。经过TMA 测试可知，LCP 的Tg高达200 ℃，具有较好的耐热性能。黏结强度为0.8 N/mm、吸湿率为0.3%、Dk为3.18、Df为0.05，以及插入损耗为42 dB/m，显示LCP覆铜板材料具有良好的高频应用特性。

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