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(huì)峰，鄧家慶

（1.天水岷山機(jī)械有限責(zé)任公司，甘肅天水 741000；2.中鐵長(zhǎng)安重工有限公司，陜西 西安 710000；3.蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

1 引言

近年來(lái)，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(lèi)材料背鉆塞孔凹陷嚴(yán)重，樹(shù)脂固化后出現(xiàn)大面積爆孔，F(xiàn)TY 低于10%，嚴(yán)重影響了此類(lèi)產(chǎn)品的發(fā)展。因此，研究PTFE 材料的特性，解決此類(lèi)材料的樹(shù)脂塞孔工藝對(duì)于推動(dòng)5G 高頻高速PCB 的發(fā)展具有重要意義。圖1 統(tǒng)計(jì)分析了此類(lèi)產(chǎn)品的塞孔現(xiàn)狀，樹(shù)脂固化前出現(xiàn)孔口樹(shù)脂破孔和進(jìn)油面塞孔凹陷的缺陷，樹(shù)脂固化后塞孔樹(shù)脂出現(xiàn)大面積爆孔，切片分析可知背鉆塞孔樹(shù)脂凹陷嚴(yán)重，在固化的過(guò)程中氣體外放，導(dǎo)致塞孔樹(shù)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(duì)現(xiàn)有塞孔工藝下PTFE 材料樹(shù)脂塞孔加工難的問(wèn)題，通過(guò)材料性能分析對(duì)比，找到塞孔加工難的根本原因，并針對(duì)性的進(jìn)行工藝提升試驗(yàn)研究。

2 塞孔機(jī)理研究

基于對(duì)塞孔現(xiàn)狀的分析，梳理整個(gè)塞孔流程，建立力學(xué)模型，對(duì)塞孔全過(guò)程進(jìn)行力學(xué)機(jī)理分析[2]。圖2 為真空絲印機(jī)塞孔過(guò)程示意圖，在絲印塞孔過(guò)程中，首先對(duì)腔體抽真空，然后將對(duì)好位置的PCB 板放到真空絲印機(jī)工作臺(tái)上，在刮刀壓力作用下將塞孔樹(shù)脂填入被塞孔中，最后將塞好的PCB 板放入烘箱，對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行烘烤固化。

圖2 真空絲印機(jī)塞孔過(guò)程示意圖

針對(duì)固化前塞孔凹陷，對(duì)真空樹(shù)脂塞孔過(guò)程受力分析可知：

（1）當(dāng)合力F1＋P1S＋G－f－P2S>0 時(shí)，樹(shù)脂才能進(jìn)入孔中，完成塞孔。在塞孔時(shí)，空氣被抽走，上下表面的真空度幾乎為零，不會(huì)出現(xiàn)明顯凹陷，塞孔過(guò)程受力圖見(jiàn)圖3。

圖3 塞孔過(guò)程受力示意圖

（2）當(dāng)塞孔結(jié)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(dāng)孔徑d 一定時(shí)，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(guò)塞孔前后受力分析，當(dāng)孔型一定時(shí)，在真空樹(shù)脂塞孔中減小塞孔樹(shù)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(yú)骨圖分析

基于塞孔機(jī)理研究和力學(xué)分析，對(duì)樹(shù)脂塞孔過(guò)程展開(kāi)分析，建立如圖5 所示的魚(yú)骨圖。

圖5 真空樹(shù)脂塞孔魚(yú)骨圖分析

3.2 關(guān)鍵影響因素分析

基于上述魚(yú)骨圖分析，結(jié)合真空樹(shù)脂塞孔的工藝流程，篩選出如下關(guān)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(xiàng)目一方面從該P(yáng)TFE 材料本身出發(fā)，通過(guò)分析其微觀機(jī)理和材料特性來(lái)改善塞孔，另一方面通過(guò)與普通易塞孔材料做對(duì)比試驗(yàn)來(lái)尋找材料的差異點(diǎn)，進(jìn)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(shù)脂塞孔和樹(shù)脂后固化三個(gè)主要流程，通過(guò)特定材料的塞孔參數(shù)優(yōu)化來(lái)改善。

圖6 真空樹(shù)脂塞孔主要流程分析

4 材料對(duì)塞孔的影響分析

4.1 不同材料塞孔對(duì)比試驗(yàn)

結(jié)合目前的塞孔現(xiàn)狀，通過(guò)兩個(gè)相同塞孔資料和加工流程的不同材料對(duì)比試驗(yàn)板在相同加工條件下進(jìn)行塞孔對(duì)比，試驗(yàn)條件和結(jié)果如表1所示。

表1 PTFE 與FR4 材料塞孔試驗(yàn)對(duì)比

對(duì)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(shuō)明塞孔不良就是PTFE 材料的特殊性導(dǎo)致。

4.2 材料性能對(duì)比測(cè)試

為了進(jìn)一步分析材料特性的影響，首先研究PTFE材料的特性，見(jiàn)表2。

表2 PTFE 材料測(cè)試試驗(yàn)設(shè)計(jì)

（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(jié)構(gòu)完全對(duì)稱(chēng)的非極性線性高分子，其分子結(jié)構(gòu)如圖7 所示，分子結(jié)構(gòu)內(nèi)無(wú)支鏈，大分子鏈呈螺旋形結(jié)構(gòu)，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(cè)向鍵C-F 鍵的鍵能較高，不易被破壞，具有很強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性[3]。PTFE 表面有一層很薄的化學(xué)薄膜，導(dǎo)致其具有很強(qiáng)的不粘性、極低的摩擦系數(shù)和良好的耐磨性。同時(shí)，由于PTFE 內(nèi)部非極性無(wú)支鏈的結(jié)構(gòu)特性，在加工過(guò)程中容易被擠壓拉伸，塑性變形嚴(yán)重。綜上，PTFE 材料的表面不粘性、吸濕性和塑性變形等特性對(duì)PCB 制程加工影響較大。

圖7 PTFE 分子結(jié)構(gòu)圖

（2）SEM 形貌分析

對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在158 倍SEM 下，PTFE（RF-30A 為例）呈現(xiàn)多微孔構(gòu)型，尤其是玻布與填料、玻布與PTFE 樹(shù)脂結(jié)合處孔洞更明顯，孔隙內(nèi)易于藏氣泡，吸濕能力強(qiáng)，而普通FR4（S1000-2M）表面致密，沒(méi)有明顯孔隙。根據(jù)板材成型原理分析，PTFE 是樹(shù)脂在高溫下熔融壓合連接在一起，更容易產(chǎn)生納米級(jí)的微孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在板內(nèi)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(yīng)，屬于化學(xué)反應(yīng)，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(cè)試

由于塞孔過(guò)程涉及到烘板和刮刀作用，研究材料的漲縮和CTE 變化對(duì)于該類(lèi)材料與樹(shù)脂的匹配度具有重要意義。圖9 為兩類(lèi)材料的漲縮變化對(duì)比，在150℃下，相同時(shí)間內(nèi)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。考慮對(duì)宏觀塞孔的影響，且塞孔過(guò)程樹(shù)脂充分填充，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其Z 軸方向上的微觀漲縮對(duì)塞孔質(zhì)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(cè)試

為表征不同材料與塞孔樹(shù)脂間的浸潤(rùn)性，對(duì)PTFE 和FR4 材料浸潤(rùn)性進(jìn)行對(duì)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(duì)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(rùn)性好，與樹(shù)脂粘合度高。對(duì)于PTFE 材料背鉆塞孔而言，其與樹(shù)脂結(jié)合不足，容易造成樹(shù)脂塞孔凹陷。

表3 PTFE 與FR4 材料接觸角測(cè)試對(duì)比數(shù)據(jù)

（5）紅外測(cè)試

在相同前處理?xiàng)l件下，PTFE（RF-30A）與FR4（S1000-2M）材料紅外測(cè)試對(duì)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(dòng)峰，1227cm-1是C-N 鍵的伸縮振動(dòng)峰，是親水性基團(tuán)。FR4 材料在3417cm-1出現(xiàn)了峰位，是結(jié)合水和束縛水的-OH 的收縮振動(dòng)峰和彎曲振動(dòng)峰，PTFE 在此處沒(méi)有峰位，說(shuō)明PTFE 的吸水性很小，遠(yuǎn)小于FR4 材料的吸水性。PTFE 材料本身無(wú)明顯的吸水基團(tuán)，從側(cè)面表明PTFE 本身化學(xué)吸水不強(qiáng)。

圖10 不同材料紅外對(duì)比分析圖

為了進(jìn)一步了解材料對(duì)藥水的吸附能力，讓PTFE 材料板件通過(guò)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(jìn)行未烘板和烘板后的紅外對(duì)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(nèi)部在3400 和1700 處出現(xiàn)高位峰，屬于親水性基團(tuán)峰，這是明顯的板內(nèi)吸水導(dǎo)致，而此類(lèi)材料在過(guò)水平線前并未發(fā)生明顯的吸水振動(dòng)峰，其自身化學(xué)吸水能力不強(qiáng)，從接觸角測(cè)試實(shí)驗(yàn)分析PTFE 本身屬于疏水性材料，綜上推斷此類(lèi)PTFE+填料+玻布的板材的物理吸水能力很強(qiáng)。

圖11 PTFE 烘板前后紅外對(duì)比分析圖

（6）紅墨水測(cè)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(jī)內(nèi)進(jìn)行紅墨水吸附測(cè)試實(shí)驗(yàn)，如圖12 和圖13 所示，不同材料紅墨水實(shí)驗(yàn)吸附性能對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 不同材料紅墨水實(shí)驗(yàn)吸附性能對(duì)比

圖12 不同材料紅墨水實(shí)驗(yàn)切片圖

圖13 不同PTFE 材料紅墨水實(shí)驗(yàn)切片圖

圖12 為不同材料類(lèi)型的紅墨水試驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)條件下，TU862 和AeroWave300 內(nèi)部卻無(wú)藥水滲入，說(shuō)明PTFE 材料物理吸附藥水和水汽的能力很強(qiáng)，主要原因是PTFE 類(lèi)板材通過(guò)高溫熔融壓合成型，屬于物理變化，板材成型后內(nèi)部含有微小氣泡和孔隙。由圖13 中不同PTFE 材料紅墨水實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，都是高溫熔融壓合的覆銅板，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，其吸附能力：PTFE+填料+粗玻布＞PTFE+填料+細(xì)玻布＞PTFE+填料＞PTFE+粗玻布＞PTFE+細(xì)玻布。可以推斷出，PTFE 填料越多，玻纖越粗其吸附性能越強(qiáng)。統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)：

PTFE填料越多，玻纖越粗，其吸附性能越強(qiáng)，從現(xiàn)場(chǎng)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(qiáng)，其背鉆塞孔良率越低。因此，解決此類(lèi)PTFE 材料的塞孔問(wèn)題，首先需要解決其內(nèi)部孔隙的吸水汽和藏氣體問(wèn)題。

5 塞孔改善試驗(yàn)

5.1 PTFE 材料樹(shù)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(jié)果造成此類(lèi)板材內(nèi)部藏水汽嚴(yán)重，物理吸水明顯，因此，對(duì)PTFE 背鉆孔塞孔前要嚴(yán)格烘板，以去除板內(nèi)水汽大分子。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)能對(duì)塞孔前烘板參數(shù)和塞孔前時(shí)效環(huán)境做的對(duì)比試驗(yàn)分析，見(jiàn)表5。

表5 PTFE 塞孔前烘板、時(shí)效對(duì)比試驗(yàn)

由表5 試驗(yàn)結(jié)果結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(nèi)完成樹(shù)脂塞孔，塞孔良率最高。

（2）塞孔工藝操作實(shí)驗(yàn)：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(jié)構(gòu)，板內(nèi)孔隙大，在背鉆孔內(nèi)和不鍍銅區(qū)域容易出現(xiàn)物理吸水汽的現(xiàn)象，因此對(duì)塞孔在真空機(jī)內(nèi)抽真空，去除塞孔機(jī)臺(tái)本身的空氣和塞孔樹(shù)脂的氣泡揮發(fā)物，抽真空3 分鐘。塞孔對(duì)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(jī)臺(tái)保持較好的真空度，真空度達(dá)到30 Pa 以下。另一方面對(duì)板子孔內(nèi)的空氣抽真空，盡量降低塞孔孔內(nèi)的氣泡量，防止固化后樹(shù)脂爆孔和凹陷。對(duì)比試驗(yàn)如表6 所示。不同抽真空方案下對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖14。

表6 PTFE 塞孔前不同抽真空時(shí)間對(duì)比試驗(yàn)

圖14 PTFE 塞孔前不同抽真空時(shí)間對(duì)比試驗(yàn)對(duì)比

由上述對(duì)比實(shí)驗(yàn)可知，對(duì)于PTFE 材料塞孔前抽真空時(shí)間越長(zhǎng)，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(shù)脂固化過(guò)程中烘箱內(nèi)部不能有強(qiáng)風(fēng)存在，容易造成爆孔。

上述實(shí)驗(yàn)對(duì)比可知，塞孔前裝好網(wǎng)版和墊板，然后空機(jī)抽真空3 min，去除機(jī)臺(tái)本身和樹(shù)脂內(nèi)的水汽，之后進(jìn)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(guò)真空塞孔等待，去除板內(nèi)背鉆孔基材空隙的水汽和樹(shù)脂空氣，防止塞孔過(guò)程中真空壓力作用下空氣和水汽被壓入板內(nèi)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(rùn)性差，容易出現(xiàn)因真空壓力不平衡導(dǎo)致的塞孔凹陷。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析試驗(yàn)，結(jié)合樹(shù)脂塞孔的機(jī)理分析，采用雙面控深的樹(shù)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(guò)程中的氣壓不平衡的問(wèn)題，最終減少塞孔進(jìn)油面凹陷。

表7 PTFE 背鉆真空塞孔雙面控深墊板改善對(duì)照表

5.3 樣品塞孔能力驗(yàn)證

為驗(yàn)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(jìn)行樹(shù)脂塞孔能力驗(yàn)證，見(jiàn)表8、表9。試驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施如下：

表8 PTFE 塞孔批量改善方案

表9 不同檔案號(hào)小批量真空樹(shù)脂塞孔驗(yàn)證結(jié)果

（1）試驗(yàn)對(duì)象：不同加工圖形的PTFE 四層板（RF-30A+FASTRISE 混壓）。

（2）試驗(yàn)設(shè)備：SM 鉆機(jī)、真空樹(shù)脂塞孔機(jī)和相關(guān)工序設(shè)備。

（3）檢驗(yàn)方式：目檢和AOI 光學(xué)檢驗(yàn)。

（4）試驗(yàn)采用最新加工方案。

（5）試驗(yàn)結(jié)果與分析。

小批量試驗(yàn)結(jié)果表明，采用新的方案可以滿(mǎn)足PTFE 類(lèi)材料（RF-30A 和TLY-5Z）的塞孔加工能力。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)PTFE 材料的多角度分析測(cè)試，以及基于塞孔機(jī)理和力學(xué)模型的PTFE 塞孔工藝研究結(jié)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(guò)程中由于PTFE 材料浸潤(rùn)性差，熱塑性尺寸不穩(wěn)定造成CCL 壓合過(guò)程中，導(dǎo)致玻纖與PTFE 樹(shù)脂及填料結(jié)合處存在大量微小孔隙，其吸附水汽能力極強(qiáng)。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(dǎo)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(shù)脂塞孔背鉆最優(yōu)方案：塞孔前烘板時(shí)間調(diào)整為170℃*80 min，空機(jī)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(dá)到92%，以上方案可完成吸水性最強(qiáng)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。