吳永明,周文英
(西安科技大學(xué)化工學(xué)院,西安,710054)
芳綸纖維性能分析及其在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用
吳永明,周文英
(西安科技大學(xué)化工學(xué)院,西安,710054)
探討了芳綸纖維族的性能與特點(diǎn)。報(bào)道了松下電工ALIVH產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)與特點(diǎn),并詳細(xì)探討了ALIVH工藝流程。并指出對(duì)開(kāi)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(wú)紡布環(huán)氧樹(shù)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(jī)纖維之一,對(duì)位芳綸纖維具有優(yōu)異的力學(xué)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(lǐng)域尤其是電子領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。?duì)位芳綸的開(kāi)發(fā)已成為促進(jìn)我國(guó)國(guó)防軍工及相關(guān)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的迫切需要。
1.1芳綸纖維的結(jié)構(gòu)
芳綸具有很高的結(jié)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(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)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(duì)Kevlar纖維來(lái)說(shuō),PPTA晶粒與纖維之間的角度在15o~20o之間,而對(duì)Kevlar49纖維則為10o或更小。
Kevlar纖維的一個(gè)顯著特點(diǎn)是其結(jié)晶結(jié)構(gòu)中大量微纖結(jié)構(gòu)。通過(guò)等離子體腐蝕Kevlar纖維揭示了其具有定向纖維結(jié)構(gòu)。沿著纖維軸向排列的彎曲的微纖寬度約為600nm,長(zhǎng)度可達(dá)幾個(gè)厘米。每一個(gè)微纖呈現(xiàn)出間距30~40nm的一系列的帶狀物,這被認(rèn)為是缺陷層 分隔和晶面的堆積所致。從橫截面來(lái)看,Kevlar纖維的結(jié)構(gòu)是不均一的,表現(xiàn)出一種表層-內(nèi)部的不同行為,表層有著更高程度的微纖取向,比內(nèi)部密度更大。
圖1 Kevlar纖維的微觀褶疊狀結(jié)構(gòu)
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(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性及高強(qiáng)、高模等特性,因此作為高性能特種纖維,已廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域,得到了世界各國(guó)的廣泛關(guān)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(qiáng)高模聚乙烯纖維)居首位。芳綸纖維從20世紀(jì)50年代開(kāi)始發(fā)展,早期的芳綸,如杜邦公司生產(chǎn)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(qiáng)度不高。新一代的高強(qiáng)度、高模量的芳綸是70年代在Kevlar和同事的工作的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。作為一類(lèi)高性能材料,芳綸料的優(yōu)異性能在不同的領(lǐng)域被被開(kāi)發(fā)應(yīng)用,其市場(chǎng)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?,F(xiàn)在主要有兩種芳綸:1972年由杜邦公司生產(chǎn)的Kevlar纖維和1985年由日本Teijin公司生產(chǎn)的Technora纖維。
芳綸纖維拉伸強(qiáng)度高。單絲強(qiáng)度可達(dá)3773MPa;254mm長(zhǎng)度纖維束的拉伸強(qiáng)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(jiàn)表1、2、3。
芳綸纖維具有良好的熱穩(wěn)定性,耐火而不熔,當(dāng)溫度達(dá)487oC時(shí)尚不熔化,但開(kāi)始炭化。所以在高溫作用下,它直至分解不發(fā)生變形,能長(zhǎng)期在180oC下使用,在150oC下作用一周后強(qiáng)度、模量不會(huì)下降,即使在200oC下,一周以后強(qiáng)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(diǎn)??v向線膨脹系數(shù)在0~100oC時(shí)為-2×10-6/oC;在100~200oC時(shí)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(chǎn)品樣品展示
圖3 微電子印制電路板產(chǎn)品樣品
2.1芳綸纖維在電子電器相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用
松下電器產(chǎn)業(yè)和松下電子部件公司(簡(jiǎn)稱松下電工)用芳綸無(wú)紡布浸漬高耐熱的環(huán)氧樹(shù)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(jiǎn)稱CCL)-----又名基材。將補(bǔ)強(qiáng)材料浸以樹(shù)脂,一面或兩面覆以銅箔,經(jīng)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(yīng)用于印制線路板行業(yè)。當(dāng)它用于多層板生產(chǎn)時(shí),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(chǎn)業(yè)株式會(huì)社臺(tái)灣的新工廠完工,以及各種層數(shù)的IVH(ALIVH)多功能多層樹(shù)脂板生成開(kāi)始,這些產(chǎn)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(qiáng)大的合成纖維,并可通過(guò)與銅粘貼的激光填充孔使任意層之間互連。全球手機(jī)市場(chǎng)正從標(biāo)準(zhǔn)電話向智能手機(jī)(高功能終端)迅速轉(zhuǎn)變,在長(zhǎng)遠(yuǎn)看來(lái)其增長(zhǎng)預(yù)期明顯。為了滿足日益增長(zhǎng)的對(duì)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(shù)脂的海外生產(chǎn)能力,以提供高密度多層板應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。松下ALIVH作為其最優(yōu)的業(yè)務(wù)領(lǐng)域之一,主要是因?yàn)殡S著智能手機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展,專(zhuān)用的多層樹(shù)脂板技術(shù)是高功能終端中一個(gè)必不可少的關(guān)鍵組成部分。該公司將繼續(xù)積極發(fā)展其ALIVH業(yè)務(wù),以滿足世界各地的智能手機(jī)和其他移動(dòng)終端制造商的需求。
芳綸纖維是一種新型的有機(jī)增強(qiáng)材料,相比覆銅板常用的無(wú)機(jī)玻璃纖維布來(lái)說(shuō),它具有質(zhì)輕比強(qiáng)度高低介電易加工等優(yōu)點(diǎn),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(chǎn)品航天航空軍事等的應(yīng)用領(lǐng)域.芳綸纖維同時(shí)也可以廣泛地應(yīng)用于復(fù)合材料電氣絕緣結(jié)構(gòu)件等領(lǐng)域。芳綸材料在通信電子領(lǐng)域的應(yīng)用始于上世紀(jì)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(chǎn)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(shì),激光鉆孔技術(shù)同時(shí)興起。由于對(duì)位芳綸纖維的諸多優(yōu)點(diǎn),滿足了當(dāng)時(shí)的技術(shù)趨勢(shì)而備受關(guān)注。芳綸纖維相對(duì)于最常用的覆銅板增強(qiáng)材料玻璃纖維布具有如下突出優(yōu)點(diǎn):有機(jī)增強(qiáng)材料,更適合激光鉆孔加工比重輕30%左右,有利于電子產(chǎn)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(yīng)電子產(chǎn)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(chǎn)品的高密度化,可用作各類(lèi)IC封裝基板。當(dāng)前,芳綸纖維成為PCB制造商開(kāi)發(fā)應(yīng)用的一個(gè)重要方向。芳綸纖維目前最成功的應(yīng)用就是松下的ALIVH(Any Layer Inner Via Hole Strueture Multilayered Printed WiringBoard的簡(jiǎn)稱)工藝,利用該技術(shù),松下電工開(kāi)發(fā)了當(dāng)時(shí)世界上最輕薄短小化的手機(jī)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(chǎn)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(jiàn)表4。)
松下部分覆銅板樣例
(Ⅰ) 品牌:松下電工-覆銅板
型號(hào):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(zhǎng):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(dú)特的制造工法、本公司制造過(guò)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(jī)、顯示器等辦公自動(dòng)化設(shè)備、空調(diào)機(jī)、游戲機(jī)、調(diào)諧器、廚房電器、電源基版等。
(Ⅱ) 高·熱傳導(dǎo)性無(wú)紡玻纖覆銅板—高·熱傳導(dǎo)性CEM-3 R1787
特性/Features
①根據(jù)高·熱傳導(dǎo)性、使部品及導(dǎo)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(fù)合覆銅層壓板相比,是其精度的3倍
④通過(guò)獨(dú)特的制造工藝,使制造過(guò)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(chǎn)品系列及其應(yīng)用范圍
2.3松下電氣產(chǎn)業(yè)和松下電子部ALIVH工藝開(kāi)發(fā)及芳綸纖維在印刷線路基板中的應(yīng)用
2.3.1ALIVH工藝為目前芳綸纖維在電子領(lǐng)域最成功的應(yīng)用。
具體來(lái)講,該公司設(shè)計(jì)者和開(kāi)發(fā)者就是利用下面所述的材料及生產(chǎn)加工技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究。
1.用二氧化碳激光高速地加工微細(xì)的過(guò)孔
2.基板材料采用???ド無(wú)紡布Ф1與環(huán)氧樹(shù)脂組成的復(fù)合材料
3.開(kāi)發(fā)新的利用導(dǎo)電膠填充的層間連接技術(shù)
該生產(chǎn)加工技術(shù)不需要鉆孔和鍍銅,在各層進(jìn)行積層的同時(shí)形成IVH,采用全層IVH構(gòu)造,可以實(shí)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?yàn)椴捎昧???ド無(wú)紡布,因而具有低介電常數(shù)、重量輕的特點(diǎn)。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(nèi)層的信號(hào)層為18μm厚的銅箔,最外層布線可以是18μm或者35μm厚的銅箔。因?yàn)槎鄬影宓母鲗訉訅翰牧系暮穸却蠹s只有0.1mm,所以它可以做得相當(dāng)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(guò)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(xì)的模型.在工業(yè)生產(chǎn)上,線寬和間距分別可以達(dá)到6μm和90μm。而且,因?yàn)楹副P(pán)直徑可以做得很小,所以直接在片狀器件和半導(dǎo)體芯片的焊盤(pán)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(wú)紡布,可以實(shí)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(wú)紡布具有負(fù)的熱膨脹系數(shù),可以通過(guò)它調(diào)整與環(huán)氧樹(shù)脂的組成比例來(lái)控制基板的熱膨脹系數(shù),使其達(dá)到與陶瓷基板相同的程度.
“AIIVH”的材料、生產(chǎn)工藝和結(jié)構(gòu)使得它具有以下一些特點(diǎn)。
1)實(shí)現(xiàn)基板尺寸的小型化并進(jìn)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(qiáng)度的???ド無(wú)紡布制作基板,既薄又輕。
3)采用全層IVH的構(gòu)造,可使布線最短,而且由于它的低介電常數(shù),因此可以進(jìn)行高速信號(hào)處理。
4)容易使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)設(shè)計(jì), 能夠縮短設(shè)計(jì)周期。
2.3.2ALIVH采用了于???ド(芳香族聚酰胺類(lèi)纖維)無(wú)紡布的基板材料
現(xiàn)在,一般使用的基板材料都是通過(guò)讓作為增強(qiáng)材料的玻璃纖維布浸漬含有熱硬化
樹(shù)脂即環(huán)氧樹(shù)脂制作而成。在本次開(kāi)發(fā)中, 用能夠進(jìn)行激光加工的???ド無(wú)紡布(全芳香族聚酞胺的總稱)作為增強(qiáng)材料,而其浸含的環(huán)氧樹(shù)脂與以往的相同。???ド無(wú)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(qiáng)度、高耐熱等特性,是優(yōu)秀的基板用增強(qiáng)材料。在本次開(kāi)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(shù)脂(相當(dāng)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(jī)進(jìn)行高速、微細(xì)地打孔加工。加工的方法是,讓激光通過(guò)電流鏡子[注Φ2](galvanomirror)和fθ鏡頭[注Φ3]進(jìn)行掃描,并在層壓材料上聚焦打孔,與傳統(tǒng)的機(jī)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(dá)到50mmx50mm,一個(gè)區(qū)域加工完了以后,X一Y載物臺(tái)帶著加工件移到下一個(gè)區(qū)域繼續(xù)加工。加工的孔徑最小大約可以達(dá)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(guò)多個(gè)電流鏡子與印鏡頭在多個(gè)方向上進(jìn)行加工。這樣可以同時(shí)對(duì)多塊層壓材料進(jìn)行打孔加工。
使用導(dǎo)電膠實(shí)現(xiàn)新的層間連接方法
a)制作過(guò)程
IVH的連接不采用以前的鍍銅的方式,而是使用新開(kāi)發(fā)的由銅粉、環(huán)氧樹(shù)脂和硬化劑組成的無(wú)溶劑型導(dǎo)電膠來(lái)進(jìn)行連接。
圖6表示的是采用導(dǎo)電膠的“ALIVH”的制作過(guò)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(shù)脂的???ド無(wú)紡布)上進(jìn)行打孔加工。1個(gè)脈沖可以加工直徑約150μm的小孔。
圖5 ALIVH基本構(gòu)造
接著,在這個(gè)孔穴中填充上面所述的導(dǎo)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(jìn)行真空加熱、加壓。這樣就使得層壓材料中的樹(shù)脂以及導(dǎo)電膠中的樹(shù)脂硬化與銅箔粘合在一起,同時(shí)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(nèi)部具有IVH的畫(huà)面基板。
將經(jīng)過(guò)上述步驟制作出的兩面基板作為芯子進(jìn)行多層化處理。具體的過(guò)程是,在這個(gè)芯子的兩面把填充有前面所述的導(dǎo)電膠的層壓材料根據(jù)銅箔的位置疊加在一起,再一次進(jìn)行熱壓,實(shí)現(xiàn)多層化處理。最后,對(duì)最外層的銅箔進(jìn)行蝕刻處理,這樣4層基板就制作出來(lái)了。
在需要進(jìn)一步多層化時(shí),將這個(gè)4層基板作為芯子,再次重復(fù)上面的過(guò)程,就能很容易地制造出6層、8層基板。
對(duì)于使用導(dǎo)電膠的層間連接法,因?yàn)閷訅翰牧虾蛯?dǎo)電膠是在熱壓時(shí)同時(shí)硬化的,每個(gè)過(guò)孔的電阻都在1m?以下,達(dá)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(guò)程,在地球環(huán)境的保護(hù)方面也是令人滿意的。
b)使用導(dǎo)電膠的層間連接的可靠性
圖6 ALIVH制作過(guò)程
本全層IVH多層基板構(gòu)造的實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)就是使用導(dǎo)電膠進(jìn)行層間連接。表7說(shuō)明了這種連接方法的可靠性。在低溫和高溫的放置試驗(yàn)中、另外在高溫高濕的放置試驗(yàn)中、在PCT的高濕空氣中的放置試驗(yàn)中顯示出了極高的可靠性。導(dǎo)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(huì)發(fā)生接觸不良。另外,在溫度循環(huán)、熱油試驗(yàn)、回流焊接等的熱沖擊試驗(yàn)中,電阻變化率也在10%以內(nèi),非常穩(wěn)定.還有熱油試驗(yàn)、回流焊接試驗(yàn)等等的試驗(yàn)結(jié)果。不管采用哪個(gè)試驗(yàn)條件,在2000C以上的溫度下都沒(méi)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(lèi))纖維,正是由于芳綸的優(yōu)異性能使其在PCB中得到了運(yùn)用,目標(biāo)是特種印制電路板的開(kāi)發(fā),開(kāi)發(fā)高性能芳綸樹(shù)脂基印制電路板在尖端技術(shù)領(lǐng)域具有巨大的潛力。其有別于傳統(tǒng)板材的樹(shù)脂纖維體系配方設(shè)計(jì)。
表 7 使用導(dǎo)電膠的層間連接的可靠性
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(chǎn)品以滿足下游需要。從技術(shù)的角度看,對(duì)提高自身產(chǎn)業(yè)水平很具有借鑒作用,對(duì)覆銅板技術(shù)革新有促進(jìn)作用。
現(xiàn)在,正計(jì)劃將具有全層IVH構(gòu)造的樹(shù)脂多層基板“ALIVH”應(yīng)用到便攜式情報(bào)終端、計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備等小型.高密度機(jī)器中去。與原來(lái)采用玻璃環(huán)氧基板相比,用同樣的器件設(shè)計(jì)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(diǎn),制作CSP(ChipSizePa-ckage)用的母板和倒裝片安裝用的MCM一L基板,關(guān)于這一點(diǎn)也正在討論之中。
注意并掌握芳綸在電子領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)應(yīng)用這一前沿,展開(kāi)對(duì)柔性印刷電路板、特種印刷電路板的關(guān)注與研究有助于提升國(guó)家科技實(shí)力。
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[注Ф1]:???ド無(wú)紡布:作為基板材料的增強(qiáng)材料。???ド(芳香族聚酰胺類(lèi))纖維是用來(lái)做防彈背心汽車(chē)輪胎等的高強(qiáng)度纖維,將這種纖維切短采用造紙技術(shù)便能制得????無(wú)紡布。
[注Φ2]:電流鏡子:把反射激光的鏡子裝在有四個(gè)旋轉(zhuǎn)方向的抽上,使得激光能夠高速地進(jìn)行掃描.
[注Φ3]:fθ鏡頭:為使經(jīng)過(guò)電流鏡子反射而進(jìn)行掃描的激光在平面上聚焦而設(shè)計(jì)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