基于PTFE 材料的印制電路板背鉆塞孔加工工藝研究

李東軒，李永東，何瑞，寧會峰，鄧家慶

（1.天水岷山機械有限責任公司，甘肅天水 741000；2.中鐵長安重工有限公司，陜西 西安 710000；3.蘭州理工大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730050）

1 引言

近年來，隨著5G 高頻高速PCB 的發(fā)展，伴隨高密互聯(lián)的PTFE 材料PCB 塞孔工藝增多，但此類材料背鉆塞孔凹陷嚴重，樹脂固化后出現(xiàn)大面積爆孔，F(xiàn)TY 低于10%，嚴重影響了此類產(chǎn)品的發(fā)展。因此，研究PTFE 材料的特性，解決此類材料的樹脂塞孔工藝對于推動5G 高頻高速PCB 的發(fā)展具有重要意義。圖1 統(tǒng)計分析了此類產(chǎn)品的塞孔現(xiàn)狀，樹脂固化前出現(xiàn)孔口樹脂破孔和進油面塞孔凹陷的缺陷，樹脂固化后塞孔樹脂出現(xiàn)大面積爆孔，切片分析可知背鉆塞孔樹脂凹陷嚴重，在固化的過程中氣體外放，導致塞孔樹脂固化后出現(xiàn)爆孔、凹陷和空洞[1]。

圖1 塞孔現(xiàn)狀

本文針對現(xiàn)有塞孔工藝下PTFE 材料樹脂塞孔加工難的問題，通過材料性能分析對比，找到塞孔加工難的根本原因，并針對性的進行工藝提升試驗研究。

2 塞孔機理研究

基于對塞孔現(xiàn)狀的分析，梳理整個塞孔流程，建立力學模型，對塞孔全過程進行力學機理分析[2]。圖2 為真空絲印機塞孔過程示意圖，在絲印塞孔過程中，首先對腔體抽真空，然后將對好位置的PCB 板放到真空絲印機工作臺上，在刮刀壓力作用下將塞孔樹脂填入被塞孔中，最后將塞好的PCB 板放入烘箱，對樹脂進行烘烤固化。

圖2 真空絲印機塞孔過程示意圖

針對固化前塞孔凹陷，對真空樹脂塞孔過程受力分析可知：

（1）當合力F1＋P1S＋G－f－P2S>0 時，樹脂才能進入孔中，完成塞孔。在塞孔時，空氣被抽走，上下表面的真空度幾乎為零，不會出現(xiàn)明顯凹陷，塞孔過程受力圖見圖3。

圖3 塞孔過程受力示意圖

（2）當塞孔結束，如圖4 所示，刮刀壓力F1=0，合力為P1S＋G－f－P2S=（P3－P4）πd2/4＋G－f，當孔徑d 一定時，G 和f 不變，上部氣壓P3與下部氣壓P4差值越大，塞孔出現(xiàn)凹陷程度越大。

圖4 塞孔后受力示意圖

綜上，通過塞孔前后受力分析，當孔型一定時，在真空樹脂塞孔中減小塞孔樹脂上下的壓力差可以有效減少塞孔凹陷。

3 影響因素分析

3.1 魚骨圖分析

基于塞孔機理研究和力學分析，對樹脂塞孔過程展開分析，建立如圖5 所示的魚骨圖。

圖5 真空樹脂塞孔魚骨圖分析

3.2 關鍵影響因素分析

基于上述魚骨圖分析，結合真空樹脂塞孔的工藝流程，篩選出如下關鍵因子：

（1）PTFE 材料特性：PTFE 材料漲縮不穩(wěn)定、材料不粘性和熱塑性等制約著PCB 加工和推廣。本項目一方面從該PTFE 材料本身出發(fā)，通過分析其微觀機理和材料特性來改善塞孔，另一方面通過與普通易塞孔材料做對比試驗來尋找材料的差異點，進而改善PTFE 塞孔。

（2）塞孔操作參數(shù)：從圖6 可知，塞孔的加工主要有塞孔前烘板，真空樹脂塞孔和樹脂后固化三個主要流程，通過特定材料的塞孔參數(shù)優(yōu)化來改善。

圖6 真空樹脂塞孔主要流程分析

4 材料對塞孔的影響分析

4.1 不同材料塞孔對比試驗

結合目前的塞孔現(xiàn)狀，通過兩個相同塞孔資料和加工流程的不同材料對比試驗板在相同加工條件下進行塞孔對比，試驗條件和結果如表1所示。

表1 PTFE 與FR4 材料塞孔試驗對比

對比發(fā)現(xiàn)，兩款不同材料的塞孔板在相同的塞孔條件下，F(xiàn)R4 的塞孔FTY 是PTFE 材料的5倍，這也說明塞孔不良就是PTFE 材料的特殊性導致。

4.2 材料性能對比測試

為了進一步分析材料特性的影響，首先研究PTFE材料的特性，見表2。

表2 PTFE 材料測試試驗設計

（1）PTFE 材料概述

以濾波器PCB 最常用的RF-30A 為例，該材料是由PTFE+填料+2116 玻布組成，主要成分是PTFE，覆銅板采用高溫熔融壓合成型。PTFE 即聚四氟乙烯，由四氟乙烯高溫聚合而成，是一種結構完全對稱的非極性線性高分子，其分子結構如圖7 所示，分子結構內無支鏈，大分子鏈呈螺旋形結構，其主鏈上的碳原子被氟原子緊密地包圍著，分子鏈難以遭到破壞，側向鍵C-F 鍵的鍵能較高，不易被破壞，具有很強的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性[3]。PTFE 表面有一層很薄的化學薄膜，導致其具有很強的不粘性、極低的摩擦系數(shù)和良好的耐磨性。同時，由于PTFE 內部非極性無支鏈的結構特性，在加工過程中容易被擠壓拉伸，塑性變形嚴重。綜上，PTFE 材料的表面不粘性、吸濕性和塑性變形等特性對PCB 制程加工影響較大。

圖7 PTFE 分子結構圖

（2）SEM 形貌分析

對比分析發(fā)現(xiàn)，在158 倍SEM 下，PTFE（RF-30A 為例）呈現(xiàn)多微孔構型，尤其是玻布與填料、玻布與PTFE 樹脂結合處孔洞更明顯，孔隙內易于藏氣泡，吸濕能力強，而普通FR4（S1000-2M）表面致密，沒有明顯孔隙。根據(jù)板材成型原理分析，PTFE 是樹脂在高溫下熔融壓合連接在一起，更容易產(chǎn)生納米級的微孔網(wǎng)狀結構，在板內存在大面積致密性微孔氣泡，如圖8（a）PTFE 切面圖所示，而FR-4 從B stage 到C stage 伴有交聯(lián)聚合反應，屬于化學反應，板材流膠充分，成型致密，如圖8（b）所示。

圖8 不同材料截面形貌圖

（3）TMA 測試

由于塞孔過程涉及到烘板和刮刀作用，研究材料的漲縮和CTE 變化對于該類材料與樹脂的匹配度具有重要意義。圖9 為兩類材料的漲縮變化對比，在150℃下，相同時間內PTFE 材料的漲縮值為11.2 μm，而相同厚度的FR4 材料的漲縮值為6.7 μm?？紤]對宏觀塞孔的影響，且塞孔過程樹脂充分填充，通過試驗發(fā)現(xiàn)，其Z 軸方向上的微觀漲縮對塞孔質量的影響不大，PTFE 材料漲縮不是塞孔的根本原因。

圖9 PTFE 漲縮變化曲線

（4）接觸角測試

為表征不同材料與塞孔樹脂間的浸潤性，對PTFE 和FR4 材料浸潤性進行對比研究。

從表3 中看到，材料表面能越高、水接觸角越小，表面親水性越高。對比可知，PTFE 的水接觸角大于90°，呈現(xiàn)疏水性；FR4 的水接觸角小于90°，呈現(xiàn)親水性。FR4 材料的親水性大于PTFE材料，表明FR4 的表面浸潤性好，與樹脂粘合度高。對于PTFE 材料背鉆塞孔而言，其與樹脂結合不足，容易造成樹脂塞孔凹陷。

表3 PTFE 與FR4 材料接觸角測試對比數(shù)據(jù)

（5）紅外測試

在相同前處理條件下，PTFE（RF-30A）與FR4（S1000-2M）材料紅外測試對比分析如圖10 所示，由圖可知，在FR4 紅外圖中，1501cm-1是=N-H 鍵的彎曲振動峰，1227cm-1是C-N 鍵的伸縮振動峰，是親水性基團。FR4 材料在3417cm-1出現(xiàn)了峰位，是結合水和束縛水的-OH 的收縮振動峰和彎曲振動峰，PTFE 在此處沒有峰位，說明PTFE 的吸水性很小，遠小于FR4 材料的吸水性。PTFE 材料本身無明顯的吸水基團，從側面表明PTFE 本身化學吸水不強。

圖10 不同材料紅外對比分析圖

為了進一步了解材料對藥水的吸附能力，讓PTFE 材料板件通過酸蝕線褪膜段水平線，該水平線體具有堿性藥水 （NaOH 溶液） 和酸洗藥水（H2SO4溶液）以及清水洗段，取同一板件的兩塊樣件，進行未烘板和烘板后的紅外對比分析，如圖11 所示。從圖11 中可以明顯看出，烘板前PTFE材料內部在3400 和1700 處出現(xiàn)高位峰，屬于親水性基團峰，這是明顯的板內吸水導致，而此類材料在過水平線前并未發(fā)生明顯的吸水振動峰，其自身化學吸水能力不強，從接觸角測試實驗分析PTFE 本身屬于疏水性材料，綜上推斷此類PTFE+填料+玻布的板材的物理吸水能力很強。

圖11 PTFE 烘板前后紅外對比分析圖

（6）紅墨水測試

為了明顯的表征不同材料的吸附能力，在相同條件下，采用紅墨水在真空鑲嵌機內進行紅墨水吸附測試實驗，如圖12 和圖13 所示，不同材料紅墨水實驗吸附性能對比見表4。

表4 不同材料紅墨水實驗吸附性能對比

圖12 不同材料紅墨水實驗切片圖

圖13 不同PTFE 材料紅墨水實驗切片圖

圖12 為不同材料類型的紅墨水試驗，可明顯看到，紅墨水（分子比藥水分子大）沿著PTFE與填料和玻纖融合處大面積滲入，而同樣實驗條件下，TU862 和AeroWave300 內部卻無藥水滲入，說明PTFE 材料物理吸附藥水和水汽的能力很強，主要原因是PTFE 類板材通過高溫熔融壓合成型，屬于物理變化，板材成型后內部含有微小氣泡和孔隙。由圖13 中不同PTFE 材料紅墨水實驗對比發(fā)現(xiàn)，都是高溫熔融壓合的覆銅板，在相同實驗條件下，其吸附能力：PTFE+填料+粗玻布＞PTFE+填料+細玻布＞PTFE+填料＞PTFE+粗玻布＞PTFE+細玻布?？梢酝茢喑觯琍TFE 填料越多，玻纖越粗其吸附性能越強。統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)：

PTFE填料越多，玻纖越粗，其吸附性能越強，從現(xiàn)場加工情況了解到，其吸水性和藏氣體的能力決定了塞孔良率的高低，吸水性越強，其背鉆塞孔良率越低。因此，解決此類PTFE 材料的塞孔問題，首先需要解決其內部孔隙的吸水汽和藏氣體問題。

5 塞孔改善試驗

5.1 PTFE 材料樹脂塞孔工藝改善

（1）基于PTFE 材料熱熔成型的板材制作原理，其微孔隙結果造成此類板材內部藏水汽嚴重，物理吸水明顯，因此，對PTFE 背鉆孔塞孔前要嚴格烘板，以去除板內水汽大分子。結合現(xiàn)場產(chǎn)能對塞孔前烘板參數(shù)和塞孔前時效環(huán)境做的對比試驗分析，見表5。

表5 PTFE 塞孔前烘板、時效對比試驗

由表5 試驗結果結合現(xiàn)場實際產(chǎn)能可知，采用170℃*80 min 的塞孔前烘板，烘板后在干燥環(huán)境中保存，并在4 h 內完成樹脂塞孔，塞孔良率最高。

（2）塞孔工藝操作實驗：塞孔前首先正常安裝好網(wǎng)板和墊板，鑒于PTFE 材料本身屬微孔結構，板內孔隙大，在背鉆孔內和不鍍銅區(qū)域容易出現(xiàn)物理吸水汽的現(xiàn)象，因此對塞孔在真空機內抽真空，去除塞孔機臺本身的空氣和塞孔樹脂的氣泡揮發(fā)物，抽真空3 分鐘。塞孔對位完成后，首件塞孔前等待5 分鐘，每一塊板在塞孔前都要重新等待抽真空，一方面使塞孔機臺保持較好的真空度，真空度達到30 Pa 以下。另一方面對板子孔內的空氣抽真空，盡量降低塞孔孔內的氣泡量，防止固化后樹脂爆孔和凹陷。對比試驗如表6 所示。不同抽真空方案下對比試驗結果見圖14。

表6 PTFE 塞孔前不同抽真空時間對比試驗

圖14 PTFE 塞孔前不同抽真空時間對比試驗對比

由上述對比實驗可知，對于PTFE 材料塞孔前抽真空時間越長，塞孔效果越好。

（3）后固化工藝：采用分段式后固化工藝效果較好，固化溫度為80℃*35 min+90℃*35 min+110℃*28 min+140℃*7 min+150℃*3 5min，特別注意樹脂固化過程中烘箱內部不能有強風存在，容易造成爆孔。

上述實驗對比可知，塞孔前裝好網(wǎng)版和墊板，然后空機抽真空3 min，去除機臺本身和樹脂內的水汽，之后進行首件塞孔，首件塞孔前等待5min，之后每一塊塞孔前等待3 min。此操作的目的是通過真空塞孔等待，去除板內背鉆孔基材空隙的水汽和樹脂空氣，防止塞孔過程中真空壓力作用下空氣和水汽被壓入板內背鉆孔隙中，有效減少塞孔后凹陷和固化后爆孔的現(xiàn)象。

5.2 雙面控深墊板

由于PTFE 材料的表面浸潤性差，容易出現(xiàn)因真空壓力不平衡導致的塞孔凹陷。通過現(xiàn)場分析試驗，結合樹脂塞孔的機理分析，采用雙面控深的樹脂塞孔墊板，即在一張墊板的兩面控深出塞孔圖形，并打出排氣孔，如表7 所示，使用雙面控深墊板可以有效解決塞孔操作過程中的氣壓不平衡的問題，最終減少塞孔進油面凹陷。

表7 PTFE 背鉆真空塞孔雙面控深墊板改善對照表

5.3 樣品塞孔能力驗證

為驗證改善后塞孔加工的能力，分別使用通孔和背鉆孔的PTFE 材料的四層產(chǎn)品板進行樹脂塞孔能力驗證，見表8、表9。試驗設計與實施如下：

表8 PTFE 塞孔批量改善方案

表9 不同檔案號小批量真空樹脂塞孔驗證結果

（1）試驗對象：不同加工圖形的PTFE 四層板（RF-30A+FASTRISE 混壓）。

（2）試驗設備：SM 鉆機、真空樹脂塞孔機和相關工序設備。

（3）檢驗方式：目檢和AOI 光學檢驗。

（4）試驗采用最新加工方案。

（5）試驗結果與分析。

小批量試驗結果表明，采用新的方案可以滿足PTFE 類材料（RF-30A 和TLY-5Z）的塞孔加工能力。

6 結論

通過對PTFE 材料的多角度分析測試，以及基于塞孔機理和力學模型的PTFE 塞孔工藝研究結果表明：

（1）PTFE 材料的PCB 板背鉆孔塞孔不良的根本原因：PTFE 材料的覆銅板采用高溫熔融壓合而成屬于物理變化，過程中由于PTFE 材料浸潤性差，熱塑性尺寸不穩(wěn)定造成CCL 壓合過程中，導致玻纖與PTFE 樹脂及填料結合處存在大量微小孔隙，其吸附水汽能力極強。在真空塞孔中，真空壓力作用下水汽吸附性更加突出，最終導致背鉆塞孔處凹陷和固化后水汽釋放形成塞孔爆孔現(xiàn)象。

（2）PTFE 材料樹脂塞孔背鉆最優(yōu)方案：塞孔前烘板時間調整為170℃*80 min，空機抽真空3 min，首件塞孔前抽真空5 min，此后每塊塞孔前抽真空3 min 的塞孔操作，并使用雙面控深墊板減少塞孔凹陷，最終背鉆孔FTY 達到92%，以上方案可完成吸水性最強和塞孔良率最低的RF-30A 的PTFE 材料的批量塞孔加工。因此，上述PTFE 材料的塞孔背鉆方案可推廣到所有PTFE材料的塞孔中。