王立峰 劉潛發(fā)

（廣東生益科技股份有限公司，廣東 東莞 523000）

袁歡欣

（汕頭超聲印制板公司，廣東 汕頭 515065）

77 GHz車載雷達用印制電路板（PCB）設計需要考慮的基材特性包括介電常數(shù)（Dk）、介質(zhì)損耗因子（Df），以及Dk的熱穩(wěn)定性（TCDf、Df的熱穩(wěn)定性（TCDf）、高溫老化電性能穩(wěn)定性、高溫高濕電性能穩(wěn)定性等因素。在毫米波頻率下，很難找到一款以上所有特性均表現(xiàn)優(yōu)異又具備良好的PCB批量制作加工能力的基材。對77 GHz車載雷達材料而言，安全可靠性是最重要的，因無玻纖增強PTFE（聚四氟乙烯）具備X軸、Y軸、Z軸各向同性的電性能，故行業(yè)將其作為主流應用材料。但該類型材料在PCB加工上與其他高頻材料比較存在較大的難度，甚至會嚴重影響到PCB產(chǎn)品的品質(zhì)與交期。前期我們[1]-[3]研究了77 GHz車載毫米波雷達用基板材料及其天線加工技術等，本文通過與業(yè)界諸多專家多次溝通與試驗研究，繼續(xù)概述相關PTFE材料在PCB加工性問題的解決方案以供參考。

1 車載77 GHz毫米波用PTFE基材

1.1 PTFE結(jié)構(gòu)及其覆銅板技術發(fā)展

聚四氟乙烯（PTFE）的分子結(jié)構(gòu)特點決定了其分子的穩(wěn)定性、優(yōu)異的電性能表現(xiàn)，故被經(jīng)常應用在高頻PCB中，如航天航空、軍工、民用雷達等。但PTFE樹脂在覆銅板（CCL）的應用，主要的組成成分是PTFE樹脂+玻纖布結(jié)構(gòu)；由于電路設計要求的持續(xù)提高，諸如要求更低Df、更小CTE（熱膨脹系數(shù)）、更穩(wěn)定Dk及其各向同性，PTFE的覆銅板技術發(fā)展趨勢逐漸由PTFE+玻纖布增強向PTFE+陶瓷填料填充+玻纖布增強、PTFE+陶瓷填料填充技術轉(zhuǎn)變[1][4]。

1.2 車載毫米波雷達用基材

目前業(yè)界車載77 GHz毫米波雷達用PTFE覆銅板材料主要來自R公司、T公司及生益科技等等，本文選擇部分PTFE基材其品名分別采用1#、2#、3#、4#表示，其中4#是生益科技的mmWave77基材。這些PTFE樹脂不含玻纖布而含填料的CCL主要性能對比如表1所示。

表1 業(yè)界主要PTFE覆銅板性能對比表

通過SEM（掃描電子顯微鏡）表征對比各基材的微觀結(jié)構(gòu)（如圖1所示）：1#基材ED（電解）銅箔的銅牙Rz較大，填料大尺寸角硅陶瓷粉間夾雜著小尺寸角硅；2#基材是球形填料但大小不均；3#基材HVLP銅箔的銅牙Rz最小，大尺寸不規(guī)則填料與球形填料夾雜在一起；4#基材是球形填料。同時，從相關SEM表征來看，成型工藝也明顯不同，壓合PTFE膜有1張和2張配方，甚至還有采用背膠技術。

圖1 典型PTFE覆銅板SEM表征圖

盡管各產(chǎn)品均采用PTFE+陶瓷粉填充技術路線，但其銅箔與陶瓷粉組成結(jié)構(gòu)細節(jié)和PTFE膜成型工藝的不同，會給PCB加工帶來差異，下文針對這類產(chǎn)品常見的問題作出歸納。

2 車載77 GHz毫米波用PTFE基材PCB加工常見問題

2.1 PTFE基材阻焊剝離問題

2.1.1 掉阻焊油墨現(xiàn)象

PCB成品常態(tài)下或膠帶拉脫測試或刀法測試條件下，阻焊層和PTFE基材剝離如圖2所示，即阻焊劑跟基材的結(jié)合力偏低。

圖2 3M膠帶拉脫測試后的PTFE基材明顯掉阻焊圖

2.1.2 影響因素及解決方案

PTFE覆銅板蝕刻后，基材面因受所覆銅箔銅牙影響而存在密集的蜂窩結(jié)構(gòu)，比表面積較大，但受PTFE自我修復能力影響，其蜂窩結(jié)構(gòu)將隨時間的延長而逐漸塌陷（如圖3所示），故需控制相關生產(chǎn)效率或在阻焊涂覆前對PCB板進行等離子體再活化處理，但等離子體參數(shù)設置非常關鍵，否則影響效果。且同樣的活化參數(shù)不一定適合所有廠家的PTFE基材[5]，其原因主要受銅箔類型不同影響，ED銅箔的PTFE基材銅牙較深（3～6 m），其自我修復速度比較慢，但HVLP甚至壓延銅箔，其PTFE自我修復速度明顯更快。從工藝參數(shù)來講，等離子體活化一般選用H2或N2+O2，H2的活化效果更好，具體參數(shù)建議如表2所示。

圖3 PTFE基材表面自我修復的SEM表征圖

表2 搭配不同銅箔PTFE基材的活化參數(shù)條件表

2.2 盲孔加工問題

2.2.1 車載毫米波PCB的常用設計結(jié)構(gòu)

采取微帶天線結(jié)構(gòu)設計的77 GHz車載毫米波雷達混壓板（如圖4所示），都會在天線層、射頻層設計盲孔，或作信號屏蔽防火墻或作信號換層使用。該類設計在PTFE基材中的盲孔，受PTFE高溫下的熱塑性表現(xiàn)影響，其盲孔的加工質(zhì)量管控將成難點。

圖4 典型77 GHz車載毫米波板的混壓結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 盲孔成型方式

（1）機械盲孔。

在PTFE基材上的盲孔孔徑設計一般為0.10 mm、0.15 mm、0.20 mm，部分工藝采用機械鉆微孔方式加工，即采用相應規(guī)格微鉆控深鉆加工（如圖5所示），這種純PTFE基材微鉆控深鉆工藝需特別關注其轉(zhuǎn)速、進給速、退刀速、鉆頭品質(zhì)的管控。且隨激光盲孔加工技術的逐漸成熟尤其是加工效率得到大幅提升，該類機械鉆盲孔的應用愈來愈少。

圖5 PCB中PTFE層的機械鉆盲孔例圖

（2）激光盲孔。

UV激光與CO2激光盲孔加工是最常見。CO2激光成孔速度快，雖可加工樹脂但因其作為熱加工方式，對熱塑性PTFE加工理想度欠佳；而UV激光作為冷加工，對熱塑性PTFE的盲孔孔型有較大改善。兩種激光加工能力比較如表3所述[6]。

表3 CO2與UV激光加工比較表

（3）激光盲孔問題及解決方案。

PCB所用無玻纖增強&陶瓷粉填充PTFE基材的激光成孔加工對激光參數(shù)設計要求非常高，諸如光圈大小、脈沖寬度、脈沖次數(shù)、成孔模式（一次成孔，多次成孔）等，激光能量過小過大均會容易產(chǎn)生孔底膠渣除不凈的情況，總能量過大還會導致盲孔擊穿甚至會出現(xiàn)PTFE基材盲孔與混壓界面FR4基材相分離，如圖6所示。

圖6 PTFE基材CO2激光盲孔加工的失效案例圖

該類盲孔孔底膠渣除不凈有時在常態(tài)即會導致連接不良（ICD），有時需經(jīng)3～5次無鉛回流焊之后才會失效。針對盲孔孔底分離位置做SEM及EDX分析，有典型的F元素存在，即說明仍有PTFE殘留孔底或是激光成孔時本來就未燒干凈，有可能是在后續(xù)作業(yè)流程時PTFE殘膠掉落至孔底或是PTFE氣化后重新沉積于孔底所致。經(jīng)系列試驗驗證，若采用傳統(tǒng)式激光盲孔加工，PTFE+陶瓷填料基材都會有一定概率存在盲孔孔底分離問題，需采用盲孔孔底特殊加工處理方能完全杜絕。改進后的4# mmWave77 PTFE具有良好的激光盲孔加工品質(zhì)（如圖7所示）。

圖7 4#基材的激光盲孔加工案例

2.3 PTFE基材變色問題

該類PTFE基材在經(jīng)過系列濕制程流程處理后，容易產(chǎn)生基材變色問題（如圖8所示），其主要受相應PTFE本身存在多孔結(jié)構(gòu)影響，但不同廠家PTFE材料的致密性、陶瓷粉配方細節(jié)不同，該問題表現(xiàn)仍有差異。開展一個模擬試驗加以驗證（如圖9所示）。通過普通的油性筆墨水+丙酮配置溶液，用滴管將所配溶液滴在1#與4#基材表面的正面，靜置5 min后，觀測基材背面：1#基材有墨水滲透，而4#看不到有墨水滲透；進一步比較二者的基材致密度，前者約為2.0 g/cm3，而后者約為2.1 g/cm3。

圖8 PTFE基材變色示意圖

圖9 簡單驗證PTFE基材變色的滴墨水試驗示意圖

2.4 過孔焊盤起翹問題

在3～5 次無鉛回流焊耐熱性測試過程中，發(fā)現(xiàn)此類PTFE基材的密集PTH容易出現(xiàn)焊盤起翹（起翹高度約為3～15 μm），并伴隨基材拉裂（如圖10所示），不管是角硅產(chǎn)品、球硅產(chǎn)品還是角硅與球硅組合的產(chǎn)品都存在該類現(xiàn)象。

圖10 焊盤起翹與基材裂紋現(xiàn)象

對焊盤長度及厚度進行分析，經(jīng)過無鉛回焊5次后起翹情況如表4所示，焊盤長度、焊盤厚度均與起翹高度呈負相關。

表4 不同結(jié)構(gòu)焊盤的起翹高度表

繼而對比各PTFE基材的熱膨脹系數(shù)，如表5。球硅的Z-CTE相對偏大，甚至比銅箔CTE（17×10-6/℃）偏大2倍，故若不采取其他改進措施，要杜絕此類PTFE基材上的PTH焊盤起翹問題已是不可能。

表5 各款PTFE基材的CTE指標比較表

進一步從減少焊盤的受熱溫度與時間、讓焊盤盡快散熱或者隔熱的角度加以改善研究。試驗分別選用PTFE球硅與角硅方案，分別設計0.65 mm與0.08 mm Pitch密集通孔結(jié)構(gòu)，均采用阻焊層覆蓋一半長度的PTH焊盤設計。試驗結(jié)果如表6所示，有明顯改善效果，相應SEM表征可清晰看到未再看到上述基材裂紋問題。

表6 覆蓋阻焊層后的焊盤起翹改善結(jié)果表

2.5 機械鉆孔爆孔問題

2.5.1 問題現(xiàn)象

針對該類PTFE混壓結(jié)構(gòu)板的機械鉆孔存在兩種疊板方式：PTFE材質(zhì)放在下表面，PTFE鉆屑可能會殘留在內(nèi)層孔壁上，增加ICD概率，但孔口披鋒品質(zhì)相對良好；PTFE材質(zhì)放在上表面，PTFE層排屑和孔位精度相對較好，但因PTFE材料物理性能較軟，鉆頭下鉆瞬間很難找到受力點，若鉆頭不夠鋒利、切削速度不夠快，則鉆頭進刀時的機械擠壓后又在退刀時發(fā)生拉扯，容易導致爆孔現(xiàn)象（如圖11所示）。

圖11 PTFE基材機械鉆孔爆孔缺陷

2.5.2 問題改善

選取0.25 mm機械鉆孔孔徑、2款雙刃單槽USF鉆刀、七種蓋板方案、三種鉆孔參數(shù)進行DOE試驗（如表7所示），并與PTFE朝上放置的參照組對比，基于各主流廠家PTFE基材的混壓板設計（10層、板厚1.60 mm）。

表7 試驗所用的三種機械鉆孔參數(shù)

結(jié)果如表8所示，蓋板貼合度是影響PTFE材料機械鉆孔爆孔問題的關鍵因素，使用覆膜鋁片作為蓋板可以明顯改善爆孔問題。

表8 機械鉆孔爆孔的DOE驗證結(jié)果

2.6 其他加工問題

77 GHz車載毫米波用的PTFE+陶瓷填料的CCL相對普通材料在PCB加工方面難度要大很多，只有對PCB制程及材料特點有更深入的了解，才能制造出優(yōu)秀的汽車雷達PCB產(chǎn)品。除以上概述的一些常見的結(jié)構(gòu)性問題，往往還會碰到孔內(nèi)毛刺、通孔ICD、機械磨板分層鼓泡、孔內(nèi)無銅問題等，常見缺陷見圖12所示。

圖12 PTFE基材其他部分結(jié)構(gòu)性缺陷圖

這類問題同樣可以通過優(yōu)化PCB制程參數(shù)加以改善杜絕。如通孔內(nèi)毛刺與ICD問題，主要是因為PTFE材料質(zhì)軟，鉆孔時經(jīng)過PTFE與FR-4混壓界面時材質(zhì)發(fā)生較大變化，若參數(shù)不適當，PTFE層容易出現(xiàn)切削不斷，故形成片狀的PTFE屑掛在孔壁上或附在內(nèi)層銅上，繼而形成ICD或銅瘤，需重點考慮機械鉆孔加工的轉(zhuǎn)速、進給速等優(yōu)化。PTFE混壓板需力避機械磨板，否則板件在無鉛回焊熱處理過程中很容易出現(xiàn)分層鼓泡問題，這是PTFE的共性問題，除此之外，更會影響天線信號?？變?nèi)沉銅不上也是PTFE材料經(jīng)常發(fā)生的現(xiàn)象，需重點關注等離子體處理條件和表面活性改性效果，主要的活化氣體有H2、N2+O2、Ar+O2等，確保在PTFE表面引入足夠的羥基、羰基和不飽和鍵等極性基團，表面活性得到明顯提高。

3 結(jié)束語

77 GHz車載毫米波雷達市場正在快速成長，車載毫米波材料在未來自動駕駛汽車市場的應用量也在持續(xù)增加，國產(chǎn)替代進口也迫在眉睫。本文通過與行業(yè)多位專家溝通并通過試驗驗證，針對77 GHz車載毫米波所用的陶瓷粉填充的PTFE混壓板的常見結(jié)構(gòu)性問題進行了闡述并提供了相應解決方案。生益科技mmWave77 PTFE基材經(jīng)過市場的多方驗證與研究，符合終端及客戶的應用要求，正在并將持續(xù)為國內(nèi)外的車載毫米波雷達提供高性價比解決方案。