一种特殊结构高频高速材料PCB加工问题探讨

2012-07-30蔡童军李金鸿胡新星

印制电路信息 2012年1期

蔡童军李金鸿胡新星刘丰葛春

珠海方正科技高密电子有限公司

在高频通信、高速传输和通讯高保密性的趋势下，要实现传输信号的低损耗、低延迟，必须选用低Dk、低Df、耐高温性的高频板材，特别是对于超高频要求，必须选取耐高低温、耐老化性能良好的PTFE材料。为了满足客户信号完整性以及信号接收与屏蔽匹配性等要求，需在PCB制作时采用混压及设计盲槽等方式，由于板件结构不对称和材料物理性能的不同，导致在加工及成品贴装过程中会出现以下一些问题：层压芯板及PP开槽流胶、成型外观毛边等品质问题，严重影响产品可靠性和合格率，因此在产品制作过程中需要重点管控。

1 背景

由于无线通讯、高频通信应用工业技术军用转民用加快，以及高保密性、高质量传送需求增加和3G移动通信技术的发展，高频高速领域已经成为CCL厂家、PCB业界和终端厂商追逐的热点。高频高速产品主要有以下应用：（1）卫星天线系统、无线监控系统；（2）基站天线、功率放大器；（3）射频微波无源器件；（4）宽带通讯[1]。

高频高速PCB产品采用特殊高频材料，通常包括通过环氧树脂改性得到的基板材料（如聚苯醚改性环氧树脂、氰酸酯改性环氧树脂）、聚四氟乙烯树脂（PTFE）基板材料、玻璃纤维改性材料（如扁平式玻璃布）等。本文采用PTFE材料制作高频高速PCB，同时为了满足信号传输及信号敏感度的要求，在PCB上设计了盲槽；而且盲槽内有金属化孔，并要做表面处理及焊件要求。盲槽制作方式为：先将低流动半固化片、及相应芯板按要求铣出空槽，再直接压合而成，开槽的品质及尺寸影响盲槽品质。此外，由于PTFE材料的特殊性，在产品成型时易出现毛边等不良现象。本文以一款PTFE（ARLON）+低流动 PP（TACONIC）混压4层板为例（如图1），对制作过程中易出现的层压芯板及PP开槽流胶品质缺陷、成型外观毛边问题进行探讨。

图1 盲槽结构示意图

2 盲槽部位压合品质改善

因在此种PCB制作时需要设计盲槽（如图1所示），此处位置有大面积铜皮及金属化孔，需按客户要求进行表面处理，完成板件在此处有安装元器件要求，因此难以采用控深铣制作方法制作，故不能使用普通的高流动度半固化片（High Flow PP），而需采用树脂流量较小的热塑性低流动PP（Low Flow PP）。相应芯板、PP在盲槽位置开槽后再进行压合，PP开槽尺寸直接影响盲槽压合品质，如果PP开槽过大，层压后盲槽边缘易出现缺胶等缺陷，影响产品可靠性；若PP开槽过小，压合时树脂流入盲槽内，会出现流胶过度现象，影响盲槽部位外观品质。因此需要将PP开槽尺寸与芯板开槽尺寸很好地匹配，才能得到良好的盲槽部位压合品质。此外，压合参数的设置影响半固化片树脂的流动性能，从而对压合品质具有重要的影响。

2.1 芯板及PP开槽尺寸控制

设计PP开槽尺寸为九种不同尺寸进行对比，分别为比芯板开槽尺寸放大（四种，用正号表示）、与芯板开槽尺寸等大、比芯板开槽尺寸缩小（四种，用负号表示）。压合后制作金相切片测量盲槽位流胶长度L，每组测量6处取平均值，流胶过量用正号表示，流胶空洞用负号表示，结果如表1及图2所示。使用Minitab软件分析流胶长度L与开槽尺寸的关系如图3所示。

表1 PP开槽尺寸实验及结果

表2 选用压合参数

图2 盲槽部位流胶状态显微图×100（左：流胶过度；右：流胶空洞）

图3 流胶长度L与开槽尺寸的关系曲线

由图4可以看出，流胶长度L与开槽尺寸呈线性关系，曲线的拟合方程为y＝-24.1－57.4x ，相关系数R＝99.4%，表示拟合方程有意义。盲槽部位流胶长度不大于50μm，不允许流胶空洞存在，即0＜y＜50μm，由拟合方程可求得-1.29mm＜x＜-0.01 mm，故压板时，PP开槽尺寸选择为较芯板开槽尺寸缩小0.025 mm。

2.2 压合参数对盲槽品质的影响

实验在三种不同压合参数下进行压合，要求压合后无树脂上盲槽区的焊盘。每种参数下制作18张实验板，每张实验板上均匀设置50个盲槽区单元，压合后用10倍镜观察有无树脂流入盲槽区的独立焊盘，并计算树脂流入焊盘的盲槽单元占盲槽总单元数的百分比，作为实验结果，实验参数设置及结果如表2所示。

表2 压合参数对盲槽压合品质影响实验安排及结果

图4 盲槽压合品质（左：树脂上焊盘；右：树脂未上焊盘）

实验表明，压合时压力越大，时间越长，半固化片树脂流动距离越远，流入盲槽区焊盘的比例越大。这是因为盲槽区空位对压力具有缓冲作用，使盲槽区的压力小于板中其他部位的压力，产生压力差。此时在高温下，半固化片树脂软化并具有一定流动性，在压力差的作用下由非盲槽区流向盲槽区。压力差越大，树脂流动越快，时间越长，树脂流动距离越远，盲槽区树脂上焊盘的比例越大，故在保证树脂完全润湿填充非盲槽区导线间的空隙的前提下，应使用较小的高压段压力和较短的高温高压段时间，如表2中1号实验参数所示。

3 成型外观品质改善

由于板材制作时，玻璃纤维所浸填料和玻璃纤维结合力小，且压合时使用低流动PP，其流胶量较小，易导致玻璃纤维之间没有足够的树脂粘结和支撑，相互间结合力弱。此外，PTFE材料较软，易变形，对玻璃纤维的支撑小，受机械力作用时易变形。使用普通常规铣刀成型时外型切削效果较差，不易一次性切断，有未切断的玻璃纤维存在，出现板边毛刺等缺陷。为了改善成型品质，本文采用普通常规铣刀成型参数，及使用双刃平底铣刀，同时上下分别盖垫一张0.5 mm ～ 1.5 mm环氧树脂基板增加PCB板强度的方法进行外型铣削，普通常规铣刀与双刃平底铣刀外形如图5所示，叠板方式如图6所示，成型效果对比如图7所示。

图5 普通常规铣刀（A）与双刃平底铣刀（B）

图6 为成型时叠板方式

图7 普通常规铣刀（A）与双刃平底铣刀（B）成型效果对比

由图5～图7可知，使用普通常规铣刀成型时，由于铣刀底部呈尖形，运转时刀刃与板材之间存在一定的死角，导致玻纤残留，板边存在大量毛刺，影响产品的外观品质及尺寸稳定性。而使用双刃平底铣刀同时上下各加一张0.5 mm ～ 1.5 mm环氧树脂基板增加PCB板强度的方法进行外型铣削，平底刀刃能完全铣掉与之接触的板材，无死角，无玻纤残留，边缘齐整无毛刺，成型品质良好。此外，铣削过程中，刀具高速转动与板材剧烈摩擦产生大量的热，使刀具局部温度骤然升高，使板材粉屑熔化。普通常规铣刀排屑性能差，残屑不能及时排除，熔化后易凝固在铣刀上，且有严重的缠刀现象，导致铣刀寿命低，加工成本高。而双刃铣刀排屑性能良好，能及时排除残屑，使用寿命更长。因此PTFE类板材或者金属基板材应采用双刃平底铣刀进行成型。