高頻混壓階梯板制作技術(shù)研究

宋建遠(yuǎn) 彭衛(wèi)紅 劉 東 何 淼 朱 拓 魏秀云

深圳崇達(dá)多層線路板有限公司

1 前言

隨著通訊、電信行業(yè)的飛速發(fā)展,全球PCB規(guī)模與技術(shù)不斷更新, 為迎合產(chǎn)品組裝密度、產(chǎn)品性能等諸多要求，出現(xiàn)了高頻混壓階梯板設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)具備兩大優(yōu)勢(shì)：（1）較大幅度地增大PCB散熱面積及表面貼裝原器件的安全性，減小體積，提高產(chǎn)品組裝密度；（2）利用大面積金屬化表面處理，結(jié)合三維立體設(shè)計(jì)，可以有效提高PCB的信息傳遞量?，F(xiàn)階段，使用高頻板材與普通板材的幾塊PCB混壓成高頻混壓階梯板已然成為一種有效順應(yīng)電子產(chǎn)品輕薄微型化、信息傳輸高速化和高性能化的工藝研發(fā)趨勢(shì)。

本文就高頻混壓階梯板工藝制作過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題為切入口，通過(guò)舉例剖析這些實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)的問(wèn)題，以及解決這些問(wèn)題過(guò)程中采取的技巧，總結(jié)適用于線路板廠的高頻混壓階梯板的通用制作技術(shù)。

2 技術(shù)原理

高頻混壓階梯板設(shè)計(jì)基于高頻PCB工作的大信息量傳輸性能，制作過(guò)程先對(duì)需要銑階梯槽的層數(shù)銑槽處理，在將不同板材混合壓合在同一PCB上處理而成，其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

2.1 混壓設(shè)計(jì)

圖1 高頻混壓階梯結(jié)構(gòu)示意圖

高頻線路板不僅要求有大的導(dǎo)通金屬面積，而且要求板材介電常數(shù)穩(wěn)定度、介質(zhì)屏蔽要求高、耐高溫、成本較低。PTFE（聚四氟乙烯）材料的耐高溫低溫，抗老化的優(yōu)越性能，加上它的介電性能幾乎與溫度及外加頻率的變化無(wú)關(guān)，促使PTFE成為客戶首選的高頻板材。但其成本高于FR-4，并且FR-4板材易加工、便于層壓，所以，為了保證線路板可以滿足大信息量傳輸，并且節(jié)約成本，線路板設(shè)計(jì)中就出現(xiàn)了一種混合板材的低成本、高性能層壓板。

這種設(shè)計(jì)攻破了成本與性能的平衡難題，但是卻給OEM商帶來(lái)了難題。兩種不同的板材之間的結(jié)合力與熱脹系數(shù)都存在差異，這種差異很容易導(dǎo)致在加工過(guò)程中產(chǎn)生分層爆板，混壓曲翹等不良現(xiàn)象，這就給混壓板的制作發(fā)出了挑戰(zhàn)。

2.2 階梯設(shè)計(jì)

隨著電子產(chǎn)品的小型多樣化發(fā)展，空間和安全性的制約，傳統(tǒng)的平面線路板已經(jīng)不能滿足許多領(lǐng)域電子產(chǎn)品的要求，越來(lái)越多的三維階梯板被逐步研發(fā)出來(lái)。三維階梯板可以有效滿足產(chǎn)品的形狀需求，最大限度的利用空間，為電子產(chǎn)品多樣化發(fā)展提供技術(shù)依據(jù)。另一方面，客戶在焊接電器元件時(shí)，某些原件需要進(jìn)行疊加或者避開(kāi)其它電器元件以保證電器元件的安全性空間，這樣，階梯設(shè)計(jì)就更加凸顯其優(yōu)越性。

三維階梯設(shè)計(jì)給加工商又帶來(lái)了系列難題，由于階梯槽的設(shè)計(jì)，層壓過(guò)程中由于高分子材料的漲縮性和流動(dòng)性，導(dǎo)致層壓過(guò)程中階梯槽易凹陷或凸起，或者流膠，另外，階梯槽的設(shè)計(jì)給外層圖形和貼干膜、鉆孔、阻焊等制作也帶來(lái)了挑戰(zhàn)性的難題。

3 技術(shù)路線

3.1 工藝流程

根據(jù)我研發(fā)人員對(duì)此項(xiàng)目的研究與探討，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)制作和工藝制定，最終制定“高頻混壓階梯PCB”工藝流程如下：

普通芯板開(kāi)料、PTFE層開(kāi)料→內(nèi)層制作→銑階梯槽→壓合制作→除流膠→鉆孔制作→等離子除膠→電鍍制作→墊PTFE墊片制作外層圖形→特殊阻焊前處理→正常后流程

3.2 PTFE高頻板材的選擇

PTFE在較寬頻率范圍內(nèi)的介電常數(shù)和介電損耗都很低，而且擊穿電壓、體積電阻率和耐電弧性都較高。

絕緣性：不受環(huán)境及頻率的影響，體積電阻可達(dá)1018歐姆?厘米，介質(zhì)損耗小，擊穿電壓高。

耐高低溫性：對(duì)溫度的影響變化不大，溫域范圍廣，可使用溫度-190 ℃ ～ 260 ℃。

從下圖2為PTFE相對(duì)介電常數(shù)隨溫度的變化曲線，由圖可以看出，隨著溫度的增高，PTFE的相對(duì)介電常數(shù)會(huì)逐步降低，而介電損耗會(huì)逐步升高，但波動(dòng)范圍較小，為了保證加工性能良好，我們要選取有較高Tg值的PTFE材料。

圖2 PTFE相對(duì)介電常數(shù)隨溫度的變化曲線

4 工藝技術(shù)研究

4.1 混壓制作階梯槽防弓曲、防爆板技術(shù)

工藝生產(chǎn)制作階梯槽工序常見(jiàn)制作難點(diǎn)及問(wèn)題頻繁出現(xiàn)點(diǎn)有：

（1）根據(jù)IPC-TM-650.2.4.22B 和IPC-A-600H混壓階梯板成品翹曲要求：弓曲、扭曲量通常是0.75%；

（2）為了避免階梯槽位流膠問(wèn)題，層壓時(shí)選用不流膠（No Flow）PP作為中間層，但是由于PTFE材料和No Flow PP的熱膨脹系數(shù)不同，導(dǎo)致在層壓過(guò)程中Z向收縮系數(shù)不匹配，而造成板局部弓曲甚至爆板；

（3）層壓時(shí)采用銑盲槽的制作方法，后工序制作時(shí)，藥水容易滲入層間，導(dǎo)致爆板、開(kāi)路短路等問(wèn)題。

針對(duì)上述提到的技術(shù)難點(diǎn)，研發(fā)人員進(jìn)行了反復(fù)試驗(yàn)，最終提出以下革新方案：

（1）分析爆板的主要原因是PTFE不易與No Flow PP結(jié)合，并且兩者的流動(dòng)性均較低，不易填充線路間隙，其疊層結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。普通PP片層壓時(shí)的待機(jī)溫度一般為140℃，使用1.5 ℃/min ～ 3.0 ℃/min的升溫速率可以使PP片有一個(gè)較好的緩沖吸熱流動(dòng)過(guò)程，但是PTFE和No Flow PP均為低流動(dòng)性PP片，Tg值較高，使用180℃的待機(jī)溫度可以更好的使兩者達(dá)到粘度最低點(diǎn)，另外根據(jù)PTFE和No Flow PP的特性，提高升溫速率至4 ℃/min ～ 6 ℃/min，對(duì)于低流動(dòng)性PP片，盡快達(dá)到流動(dòng)性最佳點(diǎn)更佳有利。最終提出的改善措施：即通過(guò)提高待機(jī)溫度，加大升溫速率，增大恒溫段壓力，延長(zhǎng)熱壓時(shí)間的方法改善PTFE與No Flow PP的低流動(dòng)性，以及兩者的結(jié)合性。

（2）階梯槽位墊高溫阻膠墊片填充，再進(jìn)行層壓，防止先層壓后銑槽位造成的層間間隙問(wèn)題。制作階梯槽若采用銑盲槽的方法，壓合后再銑槽，極易導(dǎo)致階梯連接位層間縫隙問(wèn)題產(chǎn)生。因?yàn)閷訅汉蠊ば蜻€存在大量的微蝕、磨板過(guò)程，層間縫隙內(nèi)極易藏藥水，導(dǎo)致爆板，或開(kāi)路短路等問(wèn)題。故采用先銑階梯槽，后使用墊片層壓的方式制作，可以有效避免因后銑槽而產(chǎn)生的層間縫隙。

（3）混壓板弓曲主要由于PTFE與No Flow PP的Z軸漲縮系數(shù)不匹配，快速降溫會(huì)使板材產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，而兩種板材產(chǎn)生的膨脹系數(shù)不一致，產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力不能有效消散，造成弓曲甚至爆板。延長(zhǎng)冷壓時(shí)間后，對(duì)材料釋放應(yīng)力起到了緩沖作用，可有效避免板材弓曲。故工藝解決途徑是通過(guò)延長(zhǎng)冷壓時(shí)間，增加鉆孔后烤板流程，改善混壓板弓曲問(wèn)題。

圖3 疊層結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 層壓工序銑槽位凸起與凹形的預(yù)防

層壓工學(xué)制作難點(diǎn)如下：

（1）階梯板層壓時(shí)，一般都會(huì)使用階梯位墊相應(yīng)的墊片，保證階梯板模仿正常板制作；

（2）選用的墊片厚度或大小補(bǔ)償不合適，就會(huì)造成在層壓過(guò)程中的凹陷或凸起問(wèn)題；

（3）機(jī)械磨板時(shí)由于滾軸壓板致使階梯槽處局部板曲。

采取的革新方案如下：

（1）采用PTFE墊片代替No Flow PP墊片，進(jìn)行層壓墊片處理。No Flow PP墊片，在層壓的高溫高壓條件下，PP片的漲縮系數(shù)大于PTFE高頻材料，并且PTFE具有良好的不粘性，所以選用PTFE高頻材料作為槽位墊片，可以更好的控制墊片的補(bǔ)償大小和厚度，有效避免了因?yàn)镻P片補(bǔ)償不當(dāng)而造成的槽位凹陷或凸起不良，墊片設(shè)計(jì)見(jiàn)下圖4。

（2）在槽位的大小基礎(chǔ)上，墊片單邊墊片單邊合理預(yù)?。ū疚臉悠钒逯谱鲿r(shí)，采取單邊減小0.3 mm），厚度與層壓后的階梯槽厚度一致制作。層壓過(guò)程中，由板材的X、Y軸伸縮系數(shù)的影響，導(dǎo)致層壓過(guò)程中階梯槽位會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的膨脹，若墊片大小與槽位大小一致，則在層壓時(shí)板材膨脹的內(nèi)應(yīng)力不能有效釋放，從而造成階梯槽邊緣凸起現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)反復(fù)驗(yàn)證，將墊片單邊減小0.3 mm，可有效避免此現(xiàn)象的發(fā)生。另外，墊片厚度必須與層壓完成后階梯槽的厚度一致，才能使階梯槽層壓厚度與墊片厚度一致，墊片過(guò)厚會(huì)造成階梯槽位凸起，過(guò)薄后造成凹陷。

（3）取消全流程磨板，防止因機(jī)械磨板的滾軸壓力將PTFE階梯槽位壓曲翹。去棕化，沉銅，外層圖形采用化學(xué)微蝕處理，保證銅面的潔凈度。

4.3 PTFE孔金屬化不良誘因分析及解決方案

PTFE孔金屬化不良誘因分析：

（1）PTFE板材由非極性分子組成，對(duì)水的浸潤(rùn)性較差，所以在沉銅時(shí)難以與藥水反應(yīng)，容易出現(xiàn)沉銅不良而導(dǎo)致孔無(wú)銅缺陷；

（2）PTFE樹(shù)脂成分不耐強(qiáng)氧化劑，使用化學(xué)除膠，高頻層將發(fā)生凹蝕（6μm ～ 9μm），造成燈芯效應(yīng)等不良問(wèn)題。

針對(duì)上述不良問(wèn)題的解決方案如下：

（1）采用等離子體進(jìn)行孔壁除膠，使用H2進(jìn)行活化；

（2）如下圖所示，等離子除膠后，PTFE的增水基變?yōu)橛H水基，圖5為等離子活化前后PTFE親水性示意圖；沉銅時(shí)不過(guò)化學(xué)除膠，孔壁高頻層凹蝕正常，最大孔粗＜0.025 mm，最大芯吸約為50μm，制作切片見(jiàn)圖6，由圖片可以孔壁鍍層良好。

圖5 等離子活化前后PTFE親水性示意圖

圖6 等離子處理后，孔壁鍍層切片圖

4.4 阻焊掉油墨問(wèn)題的解決方案

阻焊掉油墨誘因分析：

（1）由于此板化金面積較大(C/S：60%，S/S：90%)，所以在化金制作時(shí)，由于藥水的攻擊阻焊的Under Cut，極易產(chǎn)生掉阻焊油墨的現(xiàn)象；

（2）與孔金屬化原因類似，PTFE材料在制作阻焊時(shí)不易和油墨結(jié)合，容易掉阻焊油墨。

采取的改善措施：

對(duì)于大面積沉金板，使用“烤板+噴砂+等離子活化+有機(jī)酸超粗化”作為阻焊前處理方式制作可以有效避免阻焊掉油墨現(xiàn)象的發(fā)生。由于從鉆孔后烤板至外層AOI檢測(cè)完畢，經(jīng)歷了電鍍和多次微蝕磨板水洗等濕流程處理，板內(nèi)再次產(chǎn)生了水分和藥水的藏匿，若直接制作阻焊，由于水分和藥水的影響，很難保證阻焊油墨與板面有一個(gè)良好的結(jié)合力，所以增加外層AOI檢測(cè)完畢后烤板流程，有利于板子內(nèi)水分和藥水的清除；過(guò)噴砂機(jī)為做等離子活化提供潔凈的板面；等離子活化可以使PTFE表面產(chǎn)生親水基，制作阻焊時(shí)，油墨更容易結(jié)合。下圖7為兩種不同處理方式銅面放大比較圖，超粗化處理的銅面明顯比機(jī)械磨板的銅面粗糙度大且均勻，更有利于油墨的結(jié)合，抗沉金藥水攻擊能力更強(qiáng)。

圖7 表面處理后放大比較圖

5 成品測(cè)試

采用上文介紹的解決方案，生產(chǎn)的成品板如圖8所示，整板PCB外觀平整，無(wú)毛刺和褶皺，經(jīng)產(chǎn)品檢測(cè)弓曲量、扭曲量均滿足IPC-600H標(biāo)準(zhǔn)。圖9表示的成品切片分析圖，由圖可知兩種板材的混合層壓效果良好，經(jīng)熱應(yīng)力測(cè)試無(wú)分層、白點(diǎn)、掉阻焊油墨等不良問(wèn)題，階梯槽位制作良好，無(wú)凹陷、凸起，無(wú)潛在分層、開(kāi)短路、流膠等問(wèn)題。

圖8 成品樣板圖

圖9 切片分析圖

6 結(jié)論與展望

本文介紹的高頻混壓階梯板制作技術(shù)，通過(guò)將超低介電常數(shù)、低介電損耗的特殊板材與慣用的PP板材混合層壓，并加以凹型階梯槽設(shè)計(jì)，最后再賦予這個(gè)“組合體”PCB性能。整個(gè)制作工藝流程工序長(zhǎng)、難度大、易報(bào)廢，并且中間任一加工工序的疏忽都會(huì)導(dǎo)致前段工序的功虧一簣。文中案例來(lái)自實(shí)際生產(chǎn)中的一款產(chǎn)品，通過(guò)總結(jié)該產(chǎn)品制造過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題以及采取的處理方案來(lái)分享高頻混壓階梯板成功制作經(jīng)驗(yàn)，以期能夠?yàn)闃I(yè)內(nèi)同行提供一個(gè)參考，避免走過(guò)多彎路。

伴隨著國(guó)內(nèi)外電子市場(chǎng)的高速發(fā)展，人們對(duì)于高性能電子產(chǎn)品的需求與日俱增，而高頻混壓階梯板綜合了高頻板信息傳遞量大、有效抑制元件噪音等優(yōu)點(diǎn)，以及階梯板散熱性能好、安全性能高等諸多優(yōu)良特性，使得高頻混壓階梯板為國(guó)內(nèi)外PCB制造商所青睞，并且其制作技術(shù)相繼成為企業(yè)技術(shù)革新的潮流方向。

[1]林金堵, 梁志立等. 現(xiàn)代印制電路先進(jìn)技術(shù)[M]. 中國(guó)印制電路行業(yè)協(xié)會(huì),印制電路信息雜志社, 2009(3)

[2]杜紅兵, 李學(xué)明, 曾志軍. 印制電路信息, 2009/S1.

[3]吳東坡, 薛曉衛(wèi). 多層印制電路板翹曲成因與對(duì)策[J]. 印制電路信息, 2004(11).

[4]張育猛, 胡燕輝, 柳良平, 謝海山.不對(duì)稱高頻板混壓技術(shù)研究[J]. 印制電路信息, 2010(12).

[5]Low-FLOW PP技術(shù)資料. ARLON LOW-FLOW Selctor Guide, 2006.

[6]Fukunaga,Ueda S,Nagumo M. Air-oxidation and anodization of pitch-based carbon fibers, Carbon, 1999.