摘要：本文從層間分離的定義及判定標準入手，分析了PTFE多層板產(chǎn)生層間分離的機理，進而從材料選擇和PCB加工等維度解析如何改善PTFE多層板的層間分離。

關(guān)鍵詞：PTFE多層板，層間分離，TSM-DS3, fastRise

引言

隨著近些年移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起和大量無線智能終端的普及，無線信息傳遞的的載體愈發(fā)豐富（語音、文字、圖片、視頻等），而在邁向更高層級的超高清視頻、虛擬現(xiàn)實等信息傳遞載體時，如何解決高效傳輸容量呈幾何數(shù)量級增長的數(shù)據(jù)將變得異常突出。

眾所周知，無線信道在傳輸數(shù)據(jù)時的頻帶越寬，所能負載的數(shù)據(jù)量就越大。而在民用頻譜資源異常緊張的今天，各國政府對于毫米波頻譜資源的開放，大大增加了未來可使用頻譜資源的帶寬。根據(jù)2015年全球范圍內(nèi)各大通訊設(shè)備制造商（OEMs）以及運營商針對未來5G商用標準所發(fā)布的技術(shù)白皮書來看，基于毫米波頻段的產(chǎn)品開發(fā)將作為重點之一來進行，而從對標于毫米波頻段的PCB技術(shù)來看，低損耗的PCB板材將會越來越多的受到關(guān)注。

PTFE材料作為低損耗PCB材料的代表，已經(jīng)在軍、民通信領(lǐng)域有著十多年的實際應用經(jīng)驗，但受到應用場景和其可加工性的制約，傳統(tǒng)的PTFE PCB多以單、雙面板在無源產(chǎn)品的應用為主，例如基站天線的饋電網(wǎng)絡(luò)。但對于未來毫米波的應用來講，普通的單雙面板結(jié)構(gòu)是很難滿足其設(shè)計需要的，那么可以預見對于PTFE多層板(而非PTFE+FR-4混壓板)的需求將會越來越多。同時，多層板的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)使得具有信號傳輸功能的PTH數(shù)量也在增加，這也就不可回避的要提到PTFE多層板層間分離的問題。

1、層間分離缺陷定義及判定標準

層間分離缺陷(ICD, Internal Connection Defects)是指孔內(nèi)壁的內(nèi)層銅箔與電鍍銅之間存在不導電的夾雜物，而該夾雜物多以PCB加工過程中鉆孔所產(chǎn)生的鉆污為主。需要說明的是該缺陷普遍存在于所有的PCB多層板中，而非單指PTFEPCB多層板。

根據(jù)印制電路板行業(yè)針對高頻板材的標準IPC-6018B的解釋，判定PTFE多層板中出現(xiàn)層間分離缺陷是否可以接收，除了從豎磨切片中來初判之外，還需要加以平磨切片來判定夾雜物的殘留是否超過120o，具體的解釋原文如下：

雖然在IPC行業(yè)標準中對于PTFE多層板的層間分離缺陷進行了分級的接收判定標準，但部分終端客戶對于PTFE多層板層間分離缺陷的企業(yè)標準比IPC標準更為嚴格，究其原因是擔心上線使用時內(nèi)層銅箔與電鍍銅箔之間完全拉裂，導致此孔的電性能失效。

2、PTFE多層板層間分離缺陷產(chǎn)生機理

相較于普通的環(huán)氧樹脂體系材料和碳氫樹脂體系材料，PTFE樹脂體系材料在加工多層板時，更容易產(chǎn)生層間分離缺陷，這主要是和材料中PTFE樹脂本身的特性有很大的關(guān)系。首先，PTFE是熱塑性樹脂，且分子鏈較長不易彎曲，在高溫下(>327C)會發(fā)生熔融；其次，PTFE（聚四氟乙烯）樹脂作為“塑料之王”具有優(yōu)異的耐化學性，對絕大多數(shù)化學藥品和溶劑，表現(xiàn)出惰性、能耐強酸強堿、水和各種有機溶劑。

上述兩點雖可以當作PTFE樹脂的獨特優(yōu)點，但對于二次加工來說卻是不折不扣的“痛點”。在實際的PCB加工過程中，鉆頭的高速旋轉(zhuǎn)在接觸PTFE材料的過程中瞬時會產(chǎn)生大量熱，而熱量會將材料中的PTFE樹脂熔融并附著在鉆頭上，當鉆孔回刀時，部分熔融的樹脂接觸到內(nèi)層銅箔時，由于溫度迅速被內(nèi)層的銅箔導走，遇冷的熔融PTFE樹脂就黏附到了內(nèi)層銅上，形成了含有PTFE樹脂的殘留（鉆污），而后續(xù)的化學（去鉆污藥水）或物理（Plasma）去鉆污過程又幾乎拿PTFE樹脂“無可奈何”，最終這些殘存在內(nèi)層銅上的鉆污在電鍍銅后形成層間分離缺陷。

典型的PTFE多層板層間分離缺陷圖

3、PTFE多層板層間分離缺陷的改善方向

對于加工過PTFE多層板的PCB廠家而言，大多經(jīng)歷過由于層間分離缺陷帶來過的“痛苦”。也曾有人提出通過液態(tài)氣體來時時冷卻鉆頭或待鉆板件的辦法來解決該缺陷，或者使用某些“特制”的強氧化藥水來去除粘附在內(nèi)層銅上的PTFE殘膠。但遺憾的是上述的辦法從可實現(xiàn)性（操作性）和實際效果來看都收效甚微，不具備大規(guī)模工業(yè)化推廣的意義。

而筆者認為，要改善層間分離的問題，更多是需要PTFE材料制造商（選材指導）、PCB板廠（加工優(yōu)化）和終端客戶（標準制定和驗收）三方共同的努力。

3.1、正確的材料選型

在筆者與PCB板廠或OEM的工程師就PTFE多層板進行溝通時，都會首先接收到對于PTFE制作多層板的負面聲音，但隨著交流的深入，發(fā)現(xiàn)客戶對于PTFE多層板的認識大多還停留在10多年前的傳統(tǒng)PTFE芯板材料上（或稱為上一代PTFE芯板材料，例如TACONIC的TLY-5,TLX-8, RF-35等），其顯著特點在于材料中（1）PTFE樹脂含量高（樹脂含量高達wt.75%以上）；（2）含粗玻纖（例如7628玻纖）；（3）填料含量低（或不含填料），而使用上一代的PTFE芯板材料來加工多層板，勢必出現(xiàn)嚴重的層間分離缺陷。

針對上一代的PTFE芯板材料，TACONIC近幾年相繼成功的向市場推出了專門針對PTFE多層板的芯板材料，例如：TSM-DS3,EZIO-28。而這兩款適合制作多層板的新一代的PTFE芯板材料的特點在于（1）填料含量高（wt.75% 以上）且填料的球形度高；（2）精細玻纖布（例如106，104）；（3）可搭配極低粗糙度的銅箔。

除了芯板材料之外，與之搭配的低損耗PP也是必須要考慮在其中的，否則極容易出現(xiàn)“長短”腿跑步的尷尬現(xiàn)象。TACONIC的fastRise系列PP獨創(chuàng)性的采用“三明治”結(jié)構(gòu)，將熱固性樹脂與PTFE/陶瓷復合負載膜結(jié)合，很好的兼顧了可加工性與電性能的雙向需求，能最大限度的降低鉆孔后孔內(nèi)殘膠的出現(xiàn)。

TSM-DS3 + fasRise  多層板切片圖

EZIO-28 + fastRise 多層板切片圖

如果能夠從最初的選型階段，就選擇合適的材料進行PTFE多層板的加工，那么將極大提升PCB制程對于層間分離改善的效果。

3.2、PCB加工參數(shù)的優(yōu)化

對于PCB制程而言，需要特別關(guān)注鉆孔參數(shù)的優(yōu)化，此外還需著重尋找品質(zhì)改善與成本之間的平衡點。

（1） 鉆孔刀具的選擇：選擇針對PTFE材料優(yōu)化過的刀具，尤其是排屑性能優(yōu)異的刀具。在鉆頭的設(shè)計理念中，針對排屑能力主要有兩個設(shè)計參數(shù)，即螺旋角和芯厚。螺旋角越大，芯厚越薄，鉆頭的排屑槽就越大，排屑能力就越強，在這一點上，PCB板廠與鉆孔刀具供應商的配合顯得尤為重要；
（2） 疊板數(shù)量的控制，無論待加工PCB的板厚多少，只采用一片一疊的方式鉆孔，上下使用環(huán)氧樹脂或者冷沖板來作為蓋墊板；
（3） 鉆孔最大孔數(shù)的控制（建議200孔以下?lián)Q刀），這是作為PCB制程中改善層間分離貢獻率最大的控制點，但往往也是鉆孔加工成本貢獻最大的環(huán)節(jié)，這需要PCB板廠去找到一個平衡點。
（4） 合適的鉆孔參數(shù)，根據(jù)TACONIC的經(jīng)驗，相對較低的轉(zhuǎn)速和進刀量比高轉(zhuǎn)速快進刀更利于減少鉆污，從而改善層間分離缺陷。

優(yōu)化鉆孔參數(shù)前后的切片圖

3.3、終端客戶（OEM）驗收標準的制定

到目前為止，在民品通訊市場，PTFE多層板的應用還未真正意義上的大規(guī)模開始，除了現(xiàn)行的IPC標準之外，大多數(shù)對層間分離有要求的OEM均是延用常規(guī)FR-4多層板的驗收標準，但筆者認為由于數(shù)字系統(tǒng)板與微波射頻板的裝配方式和應用環(huán)境均有不同，因而傳統(tǒng)的驗收標準有待商榷。“零”風險和“某個數(shù)量級”的風險對于質(zhì)量成本而言是不可一概而論的。

4、結(jié)語

改善PTFE多層板層間分離缺陷不能割裂材料選型、PCB加工以及客戶驗收標準來進行，系統(tǒng)性的思考更有助于將層間分離的改善推進下去以期獲得更好的改善結(jié)果。