谈PTFE多层板层间分离产生机理及改善方向

2019-06-06李俊

印制电路信息 2019年5期

李俊

（泰康利复合材料（苏州）有限公司，江苏苏州 215000）

0 引言

近些年随着互联网技术的兴起和大量无线智能终端的普及，无线信息传递的的载体越发丰富（语音、文字、图片、视频等），而在迈向更高层级的超高清视频、虚拟现实等信息传递载体时，如何解决高效传输容量呈几何数量级增长的数据将变得异常突出。根据2015年全球范围内各大通讯设备制造商（OEMs）以及运营商针对未来5G商用标准所发布的技术白皮书来看，基于毫米波频段的产品开发将作为重点之一来进行，而从对标于毫米波频段的PCB技术来看，低损耗的PCB板材将会越来越多的受到关注。

聚四氟乙烯（PTFE）材料作为低损耗PCB材料的代表，已经在军、民通信领域有着十多年的实际应用经验，但受到应用场景和其可加工性的制约，传统的PTFE PCB多以单、双面板在无源产品的应用为主，例如基站天线的馈电网络。、对于未来毫米波的应用来讲，普通的单双面板结构很难满足其设计需要，可以预见对于PTFE多层板的需求将会越来越多。同时，多层板的结构出现使得具有信号传输功能的镀通孔（PTH）数量也在增加，这也就不可避免地要提到PTFE多层板层间分离的问题。

1 层间分离缺陷定义及判定标准

层间分离缺陷是指孔内壁的内层铜箔与电镀铜之间存在不导电的夹杂物，而该夹杂物多以PCB加工过程中钻孔所产生的钻污为主。需要说明的是该缺陷普遍存在于所有的多层PCB中，而非单指PTFE多层印制电路板。

根据印制电路板行业针对高频板材的标准IPC-6018B，判定PTFE多层板中出现层间分离缺陷是否可以接收。

虽然在IPC行业标准中对于PTFE多层板的层间分离缺陷进行了分级的接收判定标准，但部分终端客户对于PTFE多层板层间分离缺陷的企业标准比IPC标准更为严格，究其原因是担心上线使用时内层铜箔与电镀铜箔之间完全分离，导致此孔的电性能失效。

2 PTFE多层板层间分离缺陷产生机理

相较于普通的环氧树脂体系材料和碳氢树脂体系材料，PTFE树脂体系材料在加工多层板时，更容易产生层间分离缺陷，这主要与材料中PTFE树脂本身的特性有很大关系。首先，PTFE是热塑性树脂，且分子链较长不易弯曲，在高温下（＞327℃）会发生熔融。其次，PTFE树脂作为“塑料之王”具有优异的耐化学性，对绝大多数化学药品和溶剂，表现出惰性、能耐强酸强碱、水和各种有机溶剂。

上述两点虽可以当作PTFE树脂的独特优点，但对于二次加工来说却是不折不扣的“痛点”。在实际的PCB加工过程中，钻头的高速旋转在接触PTFE材料的过程中瞬时会产生大量热，而热量会将材料中的PTFE树脂熔融并附着在钻头上。当钻孔回刀时，部分熔融的树脂接触到内层铜箔时，由于温度迅速被内层的铜箔导走，遇冷的熔融PTFE树脂就黏附到了内层铜上，形成了含有PTFE树脂的残留（钻污）。而后续的化学（去钻污药水）或物理（Plasma）去钻污过程又几乎对PTFE树脂“无可奈何”，最终这些残存在内层铜上的钻污在电镀铜后形成层间分离缺陷（如图1）。

3 PTFE多层板层间分离缺陷的改善方向

对于加工过PTFE多层板为解决层间分离缺陷，曾有人提出通过液态气体来时时冷却钻头或待钻板件的办法来解决该缺陷，或者使用某些“特制”的强氧化药水来去除粘附在内层铜上的PTFE残胶；但遗憾的是上述的办法从可实现性（操作性）和实际效果都收效甚微，不具备大规模工业化推广的意义。

图1 典型的PTFE多层板内层分离

笔者认为，要改善层间分离的问题，更多是需要PTFE材料制造商（选材指导）、PCB厂（加工优化）和终端客户（标准制定和验收）三方共同努力。

3.1 正确的材料选型

在笔者与PCB厂或OEM的工程师就PTFE多层板进行沟通时，都会首先接收到对于PTFE制作多层板的负面声音，但随着交流的深入，发现客户对于PTFE多层板的认识大多还停留在10多年前的传统PTFE芯板材料上（或称为上一代PTFE芯板材料。其显著特点在于材料中；（1）PTFE树脂含量高（树脂含量高达wt.75%以上）；（2）含粗玻纤（例如7628玻纤）；（3）填料含量低（或不含填料）。而使用上一代的PTFE芯板材料来加工多层板，势必出现严重的层间分离缺陷。

针对上一代的PTFE芯板材料，Taconic近几年相继成功的向市场推出了专门针对PTFE多层板的芯板材料。制作多层板的新一代的PTFE芯板材料的特点在于；（1）填料含量高（wt.75% 以上）且填料的球形度高；（2）精细玻纤布（例如106、104）；（3）可搭配极低粗糙度的铜箔。

除了芯板材料之外，与之搭配的低损耗半固化片（Pp）也是必须要考虑在其中的，否则极容易出现“长短”腿跑步的尴尬现象。Taconic的Pp独创性的采用“三明治”结构，将热固性树脂与PTFE/陶瓷复合负载膜结合，很好地兼顾了可加工性与电性能的双向需求，能最大限度地降低钻孔后孔内残胶的出现（如图2）。

如果能够从最初的选型阶段选择合适的材料进行PTFE多层板的加工，那么将会极大提升PCB制程对于层间分离改善的效果。

图2 合适材料进行的PTFE多层板镀通孔

3.2 PCB加工参数的优化

对于PCB制程而言，需要特别关注钻孔参数的优化，此外还需着重寻找品质改善与成本之间的平衡点。

（1）钻孔刀具的选择：选择针对PTFE材料优化过的刀具，尤其是排屑性能优异的刀具。在钻头的设计理念中，针对排屑能力主要有两个设计参数，即螺旋角和芯厚。螺旋角越大，芯厚越薄，钻头的排屑槽就越大，排屑能力就越强。在这一点上，PCB厂与钻孔刀具供应商的配合显得尤为重要。

（2）叠板数量的控制，无论待加工PCB的板厚多少，只采用一片一叠的方式钻孔，上下使用环氧树脂或者冷冲板作为盖垫板。

（3）钻孔最多孔数的控制（建议200孔以下换刀），这是作为PCB制程中改善层间分离贡献率最大的控制点，这往往也是造成钻孔加工成本上升最大环节，这需要PCB厂去找到一个平衡点。

（4）合适的钻孔参数，根据Taconic的经验，相对较低的转速和进刀量比高转速快进刀更利于减少钻污，从而改善层间分离缺陷。

3.3 终端客户（OEM）验收标准的制定

目前为止，在民品通讯市场上PTFE多层板的应用还未真正意义上的大规模开始，除了现行的IPC标准外，大多数对层间分离有要求的OEM均是延用常规FR-4多层板的验收标准，但笔者认为由于数字系统板与微波射频板的装配方式和应用环境均有不同，因而传统的验收标准有待商榷。“零”风险和“某个数量级”的风险对于质量成本而言是不可一概而论的。