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PTFE微波高多层电路板工艺

2017-07-26   来源:互联网   点击:
  随着微波领域的频率越来越高,PTFE多层板作为微波器件以及高速背板的需求将会越来越多。根据这种情况,我们进行PTFE多层板的技术进行系统的开发,并制作了12层的PTFE多层板样板。  试验设计...

  随着微波领域的频率越来越高,PTFE多层板作为微波器件以及高速背板的需求将会越来越多。根据这种情况,我们进行PTFE多层板的技术进行系统的开发,并制作了12层的PTFE多层板样板。
  试验设计
  1 样板要求
  DK=3.0,Df=0.0023(10G Hz),厚度3.7mm,有阶梯槽结构,有两层层间对位要求+/-0.01mm。
  1.1 基材选型
  1.1.1 板材分类
  板材可分为5类:
  ① PTFE+玻璃布。可加工性差。
  ② PTFE+无纺玻璃布。可加工性好。
  ③ PTFE+陶瓷填料可加工性最好。
  ④ PTFE+玻璃布+陶瓷填料。性能较纯PTFE加玻璃布加工性略好。
  ⑤ PTFE粘接片分为:PTFE粘接片,BT包裹PTFE半固化片,PTFE半固化片。
  根据样板性能要求以及材料性能价格等因素,我们作如下的材料选择:
  芯板选择加工难度最大的PTFE+玻璃布及PTFE+玻璃布+陶瓷填料的材料。粘结片选择PTFE粘结片。
  1.1.2 板材特性
  a. 物理化学特性
  PTFE材料具有优良的电性能,良好的化学稳定性。其介电常数较低,且在2.0~3.5之间,随频率变化不明显,1G和10G的介电常数基本没变化,因此常用于微波通信和高速数字处理。我们这里主要应用的就是这种性能。加陶瓷填料后介电常数升高。
  b. 加工特性
  PTFE板材加工性极差。材质较软,压合时,PTFE流胶少;PTFE材料本身极性小,吸附性很差。因此,我们可以知道PTFE材料具有以下的问题:
  由于板材制作时,玻璃纤维所浸填料和玻璃纤维结合力小,压合流胶量亦小,导致玻璃纤维之间没有树脂粘结和支撑,相互间没有结合力,因此钻孔容易将玻璃纤维打散,导致部分纤维切削不断。
  ① TFE材料本身极性小,基材和玻璃布之间基材和铜箔之间的结合力较差,因此沉铜难度大, 印制阻焊难度也较大,板材亦不耐机械力冲击,PTFE和玻璃布之间容易出现分层。
  ② 材料较软,材料软,易变形,对玻璃纤维及铜箔的支撑小,加上问题①里描述的原因,受机械力易变形且钻孔时对玻纤的切削效果不好,不易一次切断,导致有未切断的玻璃纤维存在。同时PTFE也易产生未切断的PTFE钻屑。
  c. PTFE粘结片简介
  PTFE粘结片:一种透明的热塑性粘结片,厚度一般为1.5mil,3.0mil。介电常数一般为2.3,介质损耗为压合温度为220℃以上,流胶较少,易出现流胶不足问题。我们制作微波器件,因此选用此种材料。
  1.1.3 选材结果
  根据样板需求及试验需要,我们选用A、B、C供应商的材料进行试验,芯板材料涉及范围DK=2.5~3.5。样板材料为DK=3.0(10GHz),Df=0.0023(10Ghz)。
  2 因素分析
  由材料的特性,我们知道PTFE材料多层板加工的主要问题集中在压合,钻孔,PTH,油墨印制等方面。针对以上问题我们作如下试验方法设计。
  3 工艺方法设计
  3.1 钻孔
  由于材料比较软,玻璃纤维比较软,容易产生毛刺,因此需要加比较硬的特殊盖板和垫板。同时PTFE材料也可能出现未切断而残留在孔壁上的情况,由于玻璃纤维得到PTFE的支撑少,因此需要采用较小的进钻速度(需要用试验确定是否需要较小的进钻速度)。由于玻璃纤维之间没有树脂粘接所以相互之间没有结合力,钻孔一次未切断就容易产生未玻纤未切断的情况,电镀形成镀瘤。同时由于PTFE材料较软,PTFE材料也可能出现未切断而残留在孔壁上的情况。因此选用新钻头以保证钻头的锋利程度,使得能够一次切削完成。
  盖板和垫板上的树脂在高温下,会粘在孔壁,同时也会将部分钻屑(PTFE和玻璃纤维碎屑)粘在孔壁上,电镀形成镀瘤,因此去钻污是必要的。
  由于每一种PTFE材料的填料,玻璃布选择等不一样,因此可能每一种材料的钻孔参数都不一样。
  针对以上分析,我们将试验主要放在,垫盖板选择,钻孔参数试验,钻头型式改进上。
  a. 垫盖板选择
  垫盖板目前比较理想的是选用酚醛树脂材料,这种板材料比较硬,但是酚醛树脂玻璃化温度较低,更容易产生钻污,对钻头磨损大。
  b. 参数试验
  ① 试验方法
  试验者第一次试验该材料钻孔参数,对该材料的钻孔特性不能较精确的理解,试验以已有的PTFE钻孔参数为基准,根据单钻进刀量(转速和进刀量的综合参数),线速度(转速),退刀速度三种参数,用正交方法大范围变化地进行参数组合,并根据经验和理论分析,去掉一些可采用几率较小的参数组合。在此基础上选择优化参数方向,在该方向上再进行较大范围的参数组合,试验完成后就基本确定了钻孔参数的取值范围。再在该小范围内进行参数组合,确定较精确的参数组合。然后选出合适的钻孔参数。按照正常方式确定最大孔数.
  ②刀具选择
  刀具我们选用如下直径为试验刀具:
  Ф0.5mm,Ф1.0mm, Ф1.5mm, Ф2.0mm, Ф3.0mm,Ф3.2mm, Ф4.5mm。
  ④测试方法
  钻完孔后,高压水洗两次,用25倍强光下放大镜观察孔内情况,进行判断记录后,沉铜电镀。然后用25倍放大镜观察孔内情况。最后作切片观察钻孔情况。并通过考察缠绕钻头情况和钻头磨损情况确定钻刀使用最大孔数。对最终确定参数的孔电镀后作5次若冲击试验,确定其可靠性。
  3.2 孔化-电镀
  由于PTFE材料极性小,不易和别的材料结合,因此沉铜困难,需要想办法沉上铜;同时,由于钻孔时肯定会留下未切断的纤维和树脂以及树脂粘在孔壁上的纤维等钻污,所以需要去钻污。
  针对PTFE材料和FR-4的区别我们主要集中在去钻污(去除孔壁钻污和其粘连的纤维等杂物)和确保沉铜的可靠性。
  由于PTFE材料沉铜较为困难,目前采用三次沉铜三次电镀方式进行沉铜电镀。需要对沉铜次数进行评估,确定满足可靠性要求的最少沉铜次数。
  多层板需要PLASMA作去钻污和活化处理,以保证PTH的可靠性。
  由于PTFE材料较软,电镀时,在电镀槽中的摆动易使板折坏或使板的可靠性下降。采用薄板夹具装夹电镀。
  3.3 阻焊-整平(化金)
  PTFE材料本身和油墨结合力很小,由于PTFE材料芯板压合时,在表面涂覆了一层活化层以保证和铜箔的结合力。蚀刻后,该活化层可保证PTFE和油墨的结合力,但该活化层曝露在空气中,很快因氧化而失效。因此蚀刻完成后,应立即完成阻焊印制,以免表面活化层失效,而导致油墨和板面结合力不好。需要对蚀刻后,到油墨印制完成的时间长短进行评估。
  另外一种工艺方法是用PLASMA对蚀刻后的PTFE材料表面进行活化处理,不用控制时间。
  影响油墨结合力的因素还有机械力损伤,如磨刷,刮伤,撞击等,因此阻焊前处理用微蚀方法。
  由于PTFE材 料的孔壁状况不是很好,且第一次沉铜电镀孔壁会留下孔壁破洞,孔壁内会残留液体,因此在阻焊后固化,是第一次温度较高的烘烤,可能出现在高温下,液体汽化太快导致孔口起泡及其它现象。初步确定用分段逐级升温方法。对于后固化参数要进行评估。同样道理,我们对整平前烘板处理的参数也要通过试验进行确定。
  通过试验确定化学镍金后的烘板参数。由于化金后,烘板时间太长,可焊性较差,烘板时间不够,回流焊可能出现分层起泡,因此需要对烘板参数进行评估。
  3.3.1 评估蚀刻后到油墨印制时的时间间隔
  蚀刻后,分别等6小时,8小时,12小时,16小时,24小时,36小时开始印制油墨。烘板后,观察表面是否有起泡等现象。同时用3M胶带,测试油墨结合力。确定可靠的间隔时间。
  3.3.2 确定油墨后固化参数
  试验油墨后固化参数。
  3.3 PTFE多层板
  以上问题解决后,多层板的难度主要集中在过程控制,层压,钻孔,沉铜-电镀。多层板目前在压合参数试验上基本完成,钻孔问题比较大。没有PLASMA,沉铜-电镀危险较大。现将阶段性的结果简述如下。
  3.3.1 压合参数
  a.压合情况
  由于PTFE粘结片的压合温度较高,开始我们担心压机问题,压合最高温度设为220℃,同时供应商提供压力参数也较小(700~1400Kpa)。根据以上参数我们设计的参数压合结果:两次压合的剥离强度均不到0.4N/mm;同时升温速率过慢。
  直到我们将起始温度调整到190℃,最高温度调为228℃(高温段实际温度将达到235℃),并将牛皮纸减到12张(8张2次,4张一次),且压力 调高到2500Kpa后,剥离强度才达到1.2N/mm以上(TACONIC为1.6N/mm,Neclo为1.27N/mm)。
  该次压合,热冲击5次后,孔口粘结片均内部出现分层现象,但可以接受,PTFE芯板孔壁状况良好,非孔区域状况良好。10次热冲击后,分层现象严重,裂缝较长,非孔区域也出现分层现象。5次和10次热冲击NECLO的分层现象比TACONIC严重,我们初步选择TACONIC的HT1.5作为多层板的粘结片,但是在后续试验中我们还需要继续对该两种材料一起考察。
  235℃的温度基本上是压机的一个极限,因为我们发现同样的参数在不同的BOOK之间压合升温速率不一样,最大相差达8分钟。因此正式生产时,每层放的板不能太多,要确定每层最多能放板的数量。
  b.现场操作控制
  (a) 现场控制
  ①压合参数
  3.3.2 PTFE多层板钻孔
  多层板钻孔过程发现主要问题除双面板问题外,最突出的问题就是钻屑缠钻头问题。自Φ1.0mm~Φ2.5mm均缠钻头。且是从第一个孔开始就缠钻头。因此已经不是调参数的问题了,而是钻头型式的问题了,双面板在Φ1.0mm~Φ2.25mm之间缠钻头。因此我们经过商议决定制作新型式钻头来解决这个问题。
  3.3.3 沉铜-电镀
  由于没有联系到PLASMA外协,我们第一块样板没有外协,采用以下流程加工:
  外层钻孔→烘板→高压水洗两次→沉铜(去钻污10分钟)→加厚→沉铜(不去钻污)→加厚→沉铜(不去钻污)→全板镀。
  如果用PLASMA处理,采用如下流程(其中两次沉铜的可靠性需要试验论证):
  外层钻孔→高压水洗两次→烘板→PLASMA→沉铜(不去钻污)→加厚→沉铜(不去钻污) →全板镀。
  3.3.4 样板制作
  已有一块样板(微波分配器,12层板)在线上走,但是在油墨后固化时,员工未看试验计划,直接过150℃烘板,7分钟内板即起泡,9块板已废掉8块。但考虑到微波分配器的其它工艺方法和作测试,板往后面继续作。因此后固化参数及化金后烘板参数是否可靠还等再作一块试验板才能确定。

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