談PTFE多層板層間分離產(chǎn)生機(jī)理及改善方向

李 俊

（泰康利復(fù)合材料（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

近些年隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起和大量無(wú)線智能終端的普及，無(wú)線信息傳遞的的載體越發(fā)豐富（語(yǔ)音、文字、圖片、視頻等），而在邁向更高層級(jí)的超高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)等信息傳遞載體時(shí)，如何解決高效傳輸容量呈幾何數(shù)量級(jí)增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)將變得異常突出。根據(jù)2015年全球范圍內(nèi)各大通訊設(shè)備制造商（OEMs）以及運(yùn)營(yíng)商針對(duì)未來(lái)5G商用標(biāo)準(zhǔn)所發(fā)布的技術(shù)白皮書(shū)來(lái)看，基于毫米波頻段的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)將作為重點(diǎn)之一來(lái)進(jìn)行，而從對(duì)標(biāo)于毫米波頻段的PCB技術(shù)來(lái)看，低損耗的PCB板材將會(huì)越來(lái)越多的受到關(guān)注。

聚四氟乙烯（PTFE）材料作為低損耗PCB材料的代表，已經(jīng)在軍、民通信領(lǐng)域有著十多年的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，但受到應(yīng)用場(chǎng)景和其可加工性的制約，傳統(tǒng)的PTFE PCB多以單、雙面板在無(wú)源產(chǎn)品的應(yīng)用為主，例如基站天線的饋電網(wǎng)絡(luò)。、對(duì)于未來(lái)毫米波的應(yīng)用來(lái)講，普通的單雙面板結(jié)構(gòu)很難滿足其設(shè)計(jì)需要，可以預(yù)見(jiàn)對(duì)于PTFE多層板的需求將會(huì)越來(lái)越多。同時(shí)，多層板的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)使得具有信號(hào)傳輸功能的鍍通孔（PTH）數(shù)量也在增加，這也就不可避免地要提到PTFE多層板層間分離的問(wèn)題。

1 層間分離缺陷定義及判定標(biāo)準(zhǔn)

層間分離缺陷是指孔內(nèi)壁的內(nèi)層銅箔與電鍍銅之間存在不導(dǎo)電的夾雜物，而該夾雜物多以PCB加工過(guò)程中鉆孔所產(chǎn)生的鉆污為主。需要說(shuō)明的是該缺陷普遍存在于所有的多層PCB中，而非單指PTFE多層印制電路板。

根據(jù)印制電路板行業(yè)針對(duì)高頻板材的標(biāo)準(zhǔn)IPC-6018B，判定PTFE多層板中出現(xiàn)層間分離缺陷是否可以接收。

雖然在IPC行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于PTFE多層板的層間分離缺陷進(jìn)行了分級(jí)的接收判定標(biāo)準(zhǔn)，但部分終端客戶對(duì)于PTFE多層板層間分離缺陷的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)比IPC標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格，究其原因是擔(dān)心上線使用時(shí)內(nèi)層銅箔與電鍍銅箔之間完全分離，導(dǎo)致此孔的電性能失效。

2 PTFE多層板層間分離缺陷產(chǎn)生機(jī)理

相較于普通的環(huán)氧樹(shù)脂體系材料和碳?xì)錁?shù)脂體系材料，PTFE樹(shù)脂體系材料在加工多層板時(shí)，更容易產(chǎn)生層間分離缺陷，這主要與材料中PTFE樹(shù)脂本身的特性有很大關(guān)系。首先，PTFE是熱塑性樹(shù)脂，且分子鏈較長(zhǎng)不易彎曲，在高溫下（＞327℃）會(huì)發(fā)生熔融。其次，PTFE樹(shù)脂作為“塑料之王”具有優(yōu)異的耐化學(xué)性，對(duì)絕大多數(shù)化學(xué)藥品和溶劑，表現(xiàn)出惰性、能耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿、水和各種有機(jī)溶劑。

上述兩點(diǎn)雖可以當(dāng)作PTFE樹(shù)脂的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于二次加工來(lái)說(shuō)卻是不折不扣的“痛點(diǎn)”。在實(shí)際的PCB加工過(guò)程中，鉆頭的高速旋轉(zhuǎn)在接觸PTFE材料的過(guò)程中瞬時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱，而熱量會(huì)將材料中的PTFE樹(shù)脂熔融并附著在鉆頭上。當(dāng)鉆孔回刀時(shí)，部分熔融的樹(shù)脂接觸到內(nèi)層銅箔時(shí)，由于溫度迅速被內(nèi)層的銅箔導(dǎo)走，遇冷的熔融PTFE樹(shù)脂就黏附到了內(nèi)層銅上，形成了含有PTFE樹(shù)脂的殘留（鉆污）。而后續(xù)的化學(xué)（去鉆污藥水）或物理（Plasma）去鉆污過(guò)程又幾乎對(duì)PTFE樹(shù)脂“無(wú)可奈何”，最終這些殘存在內(nèi)層銅上的鉆污在電鍍銅后形成層間分離缺陷（如圖1）。

3 PTFE多層板層間分離缺陷的改善方向

對(duì)于加工過(guò)PTFE多層板為解決層間分離缺陷，曾有人提出通過(guò)液態(tài)氣體來(lái)時(shí)時(shí)冷卻鉆頭或待鉆板件的辦法來(lái)解決該缺陷，或者使用某些“特制”的強(qiáng)氧化藥水來(lái)去除粘附在內(nèi)層銅上的PTFE殘膠；但遺憾的是上述的辦法從可實(shí)現(xiàn)性（操作性）和實(shí)際效果都收效甚微，不具備大規(guī)模工業(yè)化推廣的意義。

圖1 典型的PTFE多層板內(nèi)層分離

筆者認(rèn)為，要改善層間分離的問(wèn)題，更多是需要PTFE材料制造商（選材指導(dǎo)）、PCB廠（加工優(yōu)化）和終端客戶（標(biāo)準(zhǔn)制定和驗(yàn)收）三方共同努力。

3.1 正確的材料選型

在筆者與PCB廠或OEM的工程師就PTFE多層板進(jìn)行溝通時(shí)，都會(huì)首先接收到對(duì)于PTFE制作多層板的負(fù)面聲音，但隨著交流的深入，發(fā)現(xiàn)客戶對(duì)于PTFE多層板的認(rèn)識(shí)大多還停留在10多年前的傳統(tǒng)PTFE芯板材料上（或稱為上一代PTFE芯板材料。其顯著特點(diǎn)在于材料中；（1）PTFE樹(shù)脂含量高（樹(shù)脂含量高達(dá)wt.75%以上）；（2）含粗玻纖（例如7628玻纖）；（3）填料含量低（或不含填料）。而使用上一代的PTFE芯板材料來(lái)加工多層板，勢(shì)必出現(xiàn)嚴(yán)重的層間分離缺陷。

針對(duì)上一代的PTFE芯板材料，Taconic近幾年相繼成功的向市場(chǎng)推出了專門(mén)針對(duì)PTFE多層板的芯板材料。制作多層板的新一代的PTFE芯板材料的特點(diǎn)在于；（1）填料含量高（wt.75% 以上）且填料的球形度高；（2）精細(xì)玻纖布（例如106、104）；（3）可搭配極低粗糙度的銅箔。

除了芯板材料之外，與之搭配的低損耗半固化片（Pp）也是必須要考慮在其中的，否則極容易出現(xiàn)“長(zhǎng)短”腿跑步的尷尬現(xiàn)象。Taconic的Pp獨(dú)創(chuàng)性的采用“三明治”結(jié)構(gòu)，將熱固性樹(shù)脂與PTFE/陶瓷復(fù)合負(fù)載膜結(jié)合，很好地兼顧了可加工性與電性能的雙向需求，能最大限度地降低鉆孔后孔內(nèi)殘膠的出現(xiàn)（如圖2）。

如果能夠從最初的選型階段選擇合適的材料進(jìn)行PTFE多層板的加工，那么將會(huì)極大提升PCB制程對(duì)于層間分離改善的效果。

圖2 合適材料進(jìn)行的PTFE多層板鍍通孔

3.2 PCB加工參數(shù)的優(yōu)化

對(duì)于PCB制程而言，需要特別關(guān)注鉆孔參數(shù)的優(yōu)化，此外還需著重尋找品質(zhì)改善與成本之間的平衡點(diǎn)。

（1）鉆孔刀具的選擇：選擇針對(duì)PTFE材料優(yōu)化過(guò)的刀具，尤其是排屑性能優(yōu)異的刀具。在鉆頭的設(shè)計(jì)理念中，針對(duì)排屑能力主要有兩個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，即螺旋角和芯厚。螺旋角越大，芯厚越薄，鉆頭的排屑槽就越大，排屑能力就越強(qiáng)。在這一點(diǎn)上，PCB廠與鉆孔刀具供應(yīng)商的配合顯得尤為重要。

（2）疊板數(shù)量的控制，無(wú)論待加工PCB的板厚多少，只采用一片一疊的方式鉆孔，上下使用環(huán)氧樹(shù)脂或者冷沖板作為蓋墊板。

（3）鉆孔最多孔數(shù)的控制（建議200孔以下?lián)Q刀），這是作為PCB制程中改善層間分離貢獻(xiàn)率最大的控制點(diǎn)，這往往也是造成鉆孔加工成本上升最大環(huán)節(jié)，這需要PCB廠去找到一個(gè)平衡點(diǎn)。

（4）合適的鉆孔參數(shù)，根據(jù)Taconic的經(jīng)驗(yàn)，相對(duì)較低的轉(zhuǎn)速和進(jìn)刀量比高轉(zhuǎn)速快進(jìn)刀更利于減少鉆污，從而改善層間分離缺陷。

3.3 終端客戶（OEM）驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的制定

目前為止，在民品通訊市場(chǎng)上PTFE多層板的應(yīng)用還未真正意義上的大規(guī)模開(kāi)始，除了現(xiàn)行的IPC標(biāo)準(zhǔn)外，大多數(shù)對(duì)層間分離有要求的OEM均是延用常規(guī)FR-4多層板的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，但筆者認(rèn)為由于數(shù)字系統(tǒng)板與微波射頻板的裝配方式和應(yīng)用環(huán)境均有不同，因而傳統(tǒng)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)有待商榷。“零”風(fēng)險(xiǎn)和“某個(gè)數(shù)量級(jí)”的風(fēng)險(xiǎn)對(duì)于質(zhì)量成本而言是不可一概而論的。

4 結(jié)語(yǔ)

改善PTFE多層板層間分離缺陷不能割裂材料選型、PCB加工以及客戶驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行，系統(tǒng)性的思考更有助于將層間分離的改善推進(jìn)下去以期獲得更好的改善結(jié)果。