一種特殊結(jié)構(gòu)高頻高速材料PCB加工問題探討

蔡童軍 李金鴻 胡新星 劉 豐 葛 春

珠海方正科技高密電子有限公司

在高頻通信、高速傳輸和通訊高保密性的趨勢(shì)下，要實(shí)現(xiàn)傳輸信號(hào)的低損耗、低延遲，必須選用低Dk、低Df、耐高溫性的高頻板材，特別是對(duì)于超高頻要求，必須選取耐高低溫、耐老化性能良好的PTFE材料。為了滿足客戶信號(hào)完整性以及信號(hào)接收與屏蔽匹配性等要求，需在PCB制作時(shí)采用混壓及設(shè)計(jì)盲槽等方式，由于板件結(jié)構(gòu)不對(duì)稱和材料物理性能的不同，導(dǎo)致在加工及成品貼裝過程中會(huì)出現(xiàn)以下一些問題：層壓芯板及PP開槽流膠、成型外觀毛邊等品質(zhì)問題，嚴(yán)重影響產(chǎn)品可靠性和合格率，因此在產(chǎn)品制作過程中需要重點(diǎn)管控。

1 背景

由于無線通訊、高頻通信應(yīng)用工業(yè)技術(shù)軍用轉(zhuǎn)民用加快，以及高保密性、高質(zhì)量傳送需求增加和3G移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，高頻高速領(lǐng)域已經(jīng)成為CCL廠家、PCB業(yè)界和終端廠商追逐的熱點(diǎn)。高頻高速產(chǎn)品主要有以下應(yīng)用：（1）衛(wèi)星天線系統(tǒng)、無線監(jiān)控系統(tǒng)；（2）基站天線、功率放大器；（3）射頻微波無源器件；（4）寬帶通訊[1]。

高頻高速PCB產(chǎn)品采用特殊高頻材料，通常包括通過環(huán)氧樹脂改性得到的基板材料（如聚苯醚改性環(huán)氧樹脂、氰酸酯改性環(huán)氧樹脂）、聚四氟乙烯樹脂（PTFE）基板材料、玻璃纖維改性材料（如扁平式玻璃布）等。本文采用PTFE材料制作高頻高速PCB，同時(shí)為了滿足信號(hào)傳輸及信號(hào)敏感度的要求，在PCB上設(shè)計(jì)了盲槽；而且盲槽內(nèi)有金屬化孔，并要做表面處理及焊件要求。盲槽制作方式為：先將低流動(dòng)半固化片、及相應(yīng)芯板按要求銑出空槽，再直接壓合而成，開槽的品質(zhì)及尺寸影響盲槽品質(zhì)。此外，由于PTFE材料的特殊性，在產(chǎn)品成型時(shí)易出現(xiàn)毛邊等不良現(xiàn)象。本文以一款PTFE（ARLON）+低流動(dòng) PP（TACONIC）混壓4層板為例（如圖1），對(duì)制作過程中易出現(xiàn)的層壓芯板及PP開槽流膠品質(zhì)缺陷、成型外觀毛邊問題進(jìn)行探討。

圖1 盲槽結(jié)構(gòu)示意圖

2 盲槽部位壓合品質(zhì)改善

因在此種PCB制作時(shí)需要設(shè)計(jì)盲槽（如圖1所示），此處位置有大面積銅皮及金屬化孔，需按客戶要求進(jìn)行表面處理，完成板件在此處有安裝元器件要求，因此難以采用控深銑制作方法制作，故不能使用普通的高流動(dòng)度半固化片（High Flow PP），而需采用樹脂流量較小的熱塑性低流動(dòng)PP（Low Flow PP）。相應(yīng)芯板、PP在盲槽位置開槽后再進(jìn)行壓合，PP開槽尺寸直接影響盲槽壓合品質(zhì)，如果PP開槽過大，層壓后盲槽邊緣易出現(xiàn)缺膠等缺陷，影響產(chǎn)品可靠性；若PP開槽過小，壓合時(shí)樹脂流入盲槽內(nèi)，會(huì)出現(xiàn)流膠過度現(xiàn)象，影響盲槽部位外觀品質(zhì)。因此需要將PP開槽尺寸與芯板開槽尺寸很好地匹配，才能得到良好的盲槽部位壓合品質(zhì)。此外，壓合參數(shù)的設(shè)置影響半固化片樹脂的流動(dòng)性能，從而對(duì)壓合品質(zhì)具有重要的影響。

2.1 芯板及PP開槽尺寸控制

設(shè)計(jì)PP開槽尺寸為九種不同尺寸進(jìn)行對(duì)比，分別為比芯板開槽尺寸放大（四種，用正號(hào)表示）、與芯板開槽尺寸等大、比芯板開槽尺寸縮小（四種，用負(fù)號(hào)表示）。壓合后制作金相切片測量盲槽位流膠長度L，每組測量6處取平均值，流膠過量用正號(hào)表示，流膠空洞用負(fù)號(hào)表示，結(jié)果如表1及圖2所示。使用Minitab軟件分析流膠長度L與開槽尺寸的關(guān)系如圖3所示。

表1 PP開槽尺寸實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

表2 選用壓合參數(shù)

圖2 盲槽部位流膠狀態(tài)顯微圖×100（左：流膠過度；右：流膠空洞）

圖3 流膠長度L與開槽尺寸的關(guān)系曲線

由圖4可以看出，流膠長度L與開槽尺寸呈線性關(guān)系，曲線的擬合方程為y＝-24.1－57.4x ，相關(guān)系數(shù)R＝99.4%，表示擬合方程有意義。盲槽部位流膠長度不大于50μm，不允許流膠空洞存在，即0＜y＜50μm，由擬合方程可求得-1.29mm＜x＜-0.01 mm，故壓板時(shí)，PP開槽尺寸選擇為較芯板開槽尺寸縮小0.025 mm。

2.2 壓合參數(shù)對(duì)盲槽品質(zhì)的影響

實(shí)驗(yàn)在三種不同壓合參數(shù)下進(jìn)行壓合，要求壓合后無樹脂上盲槽區(qū)的焊盤。每種參數(shù)下制作18張實(shí)驗(yàn)板，每張實(shí)驗(yàn)板上均勻設(shè)置50個(gè)盲槽區(qū)單元，壓合后用10倍鏡觀察有無樹脂流入盲槽區(qū)的獨(dú)立焊盤，并計(jì)算樹脂流入焊盤的盲槽單元占盲槽總單元數(shù)的百分比，作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置及結(jié)果如表2所示。

表2 壓合參數(shù)對(duì)盲槽壓合品質(zhì)影響實(shí)驗(yàn)安排及結(jié)果

圖4 盲槽壓合品質(zhì)（左：樹脂上焊盤；右：樹脂未上焊盤）

實(shí)驗(yàn)表明，壓合時(shí)壓力越大，時(shí)間越長，半固化片樹脂流動(dòng)距離越遠(yuǎn)，流入盲槽區(qū)焊盤的比例越大。這是因?yàn)槊げ蹍^(qū)空位對(duì)壓力具有緩沖作用，使盲槽區(qū)的壓力小于板中其他部位的壓力，產(chǎn)生壓力差。此時(shí)在高溫下，半固化片樹脂軟化并具有一定流動(dòng)性，在壓力差的作用下由非盲槽區(qū)流向盲槽區(qū)。壓力差越大，樹脂流動(dòng)越快，時(shí)間越長，樹脂流動(dòng)距離越遠(yuǎn)，盲槽區(qū)樹脂上焊盤的比例越大，故在保證樹脂完全潤濕填充非盲槽區(qū)導(dǎo)線間的空隙的前提下，應(yīng)使用較小的高壓段壓力和較短的高溫高壓段時(shí)間，如表2中1號(hào)實(shí)驗(yàn)參數(shù)所示。

3 成型外觀品質(zhì)改善

由于板材制作時(shí)，玻璃纖維所浸填料和玻璃纖維結(jié)合力小，且壓合時(shí)使用低流動(dòng)PP，其流膠量較小，易導(dǎo)致玻璃纖維之間沒有足夠的樹脂粘結(jié)和支撐，相互間結(jié)合力弱。此外，PTFE材料較軟，易變形，對(duì)玻璃纖維的支撐小，受機(jī)械力作用時(shí)易變形。使用普通常規(guī)銑刀成型時(shí)外型切削效果較差，不易一次性切斷，有未切斷的玻璃纖維存在，出現(xiàn)板邊毛刺等缺陷。為了改善成型品質(zhì)，本文采用普通常規(guī)銑刀成型參數(shù)，及使用雙刃平底銑刀，同時(shí)上下分別蓋墊一張0.5 mm ～ 1.5 mm環(huán)氧樹脂基板增加PCB板強(qiáng)度的方法進(jìn)行外型銑削，普通常規(guī)銑刀與雙刃平底銑刀外形如圖5所示，疊板方式如圖6所示，成型效果對(duì)比如圖7所示。

圖5 普通常規(guī)銑刀（A）與雙刃平底銑刀（B）

圖6 為成型時(shí)疊板方式

圖7 普通常規(guī)銑刀（A）與雙刃平底銑刀（B）成型效果對(duì)比

由圖5～圖7可知，使用普通常規(guī)銑刀成型時(shí)，由于銑刀底部呈尖形，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)刀刃與板材之間存在一定的死角，導(dǎo)致玻纖殘留，板邊存在大量毛刺，影響產(chǎn)品的外觀品質(zhì)及尺寸穩(wěn)定性。而使用雙刃平底銑刀同時(shí)上下各加一張0.5 mm ～ 1.5 mm環(huán)氧樹脂基板增加PCB板強(qiáng)度的方法進(jìn)行外型銑削，平底刀刃能完全銑掉與之接觸的板材，無死角，無玻纖殘留，邊緣齊整無毛刺，成型品質(zhì)良好。此外，銑削過程中，刀具高速轉(zhuǎn)動(dòng)與板材劇烈摩擦產(chǎn)生大量的熱，使刀具局部溫度驟然升高，使板材粉屑熔化。普通常規(guī)銑刀排屑性能差，殘屑不能及時(shí)排除，熔化后易凝固在銑刀上，且有嚴(yán)重的纏刀現(xiàn)象，導(dǎo)致銑刀壽命低，加工成本高。而雙刃銑刀排屑性能良好，能及時(shí)排除殘屑，使用壽命更長。因此PTFE類板材或者金屬基板材應(yīng)采用雙刃平底銑刀進(jìn)行成型。

4 結(jié)論

本文使用PTFE材料與熱塑性PP混壓制作高頻高速PCB產(chǎn)品，對(duì)工藝過程中容易出現(xiàn)的金屬盲槽流膠、成型板邊毛邊等工藝問題進(jìn)行探討，得出以下結(jié)論：

（1）使用熱塑性低流動(dòng)PP進(jìn)行壓合時(shí)，為避免PP樹脂流入金屬盲槽區(qū)影響外觀及性能，應(yīng)根據(jù)PP本身特性將其開槽尺寸做適當(dāng)放大或者縮小，本文通過實(shí)驗(yàn)得出PP開槽最佳尺寸為比芯板開槽縮小1 mil，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)依據(jù)PP種類和特性做適當(dāng)調(diào)整；

（2）壓合參數(shù)的設(shè)定影響PP樹脂流動(dòng)的性能，實(shí)驗(yàn)得出高壓端壓力為1.10 Mpa（160 psi），高溫高壓時(shí)間為80 min料溫≥220 ℃保持16 min的壓合條件下，無PP樹脂流入盲槽區(qū)焊盤的現(xiàn)象，成品良率高；

（3）PTFE材料成型時(shí)采用雙刃平底銑刀，同時(shí)上下各加一張0.5 mm ～ 1.5 mm環(huán)氧樹脂基板增加PCB板強(qiáng)度的方法進(jìn)行外型銑削，成型板邊邊緣齊整無毛刺，同時(shí)雙刃平底銑刀不僅排屑性能優(yōu)于常規(guī)銑刀，使用壽命也更長。

[1]宋建遠(yuǎn), 彭衛(wèi)紅等. 高頻混壓階梯板制作技術(shù)研究[J]. 印制電路信息, 2011.

[2]華炎生, 朱興華, 高斌等. PTFE高頻混壓板問題解析[J]. 印制電路信息, 2010.