77GHz车载毫米波用PTFE基材的加工性研究

王立峰 刘潜发

（广东生益科技股份有限公司，广东 东莞 523000）

袁欢欣

（汕头超声印制板公司，广东 汕头 515065）

77 GHz车载雷达用印制电路板（PCB）设计需要考虑的基材特性包括介电常数（Dk）、介质损耗因子（Df），以及Dk的热稳定性（TCDf、Df的热稳定性（TCDf）、高温老化电性能稳定性、高温高湿电性能稳定性等因素。在毫米波频率下，很难找到一款以上所有特性均表现优异又具备良好的PCB批量制作加工能力的基材。对77 GHz车载雷达材料而言，安全可靠性是最重要的，因无玻纤增强PTFE（聚四氟乙烯）具备X轴、Y轴、Z轴各向同性的电性能，故行业将其作为主流应用材料。但该类型材料在PCB加工上与其他高频材料比较存在较大的难度，甚至会严重影响到PCB产品的品质与交期。前期我们[1]-[3]研究了77 GHz车载毫米波雷达用基板材料及其天线加工技术等，本文通过与业界诸多专家多次沟通与试验研究，继续概述相关PTFE材料在PCB加工性问题的解决方案以供参考。

1 车载77 GHz毫米波用PTFE基材

1.1 PTFE结构及其覆铜板技术发展

聚四氟乙烯（PTFE）的分子结构特点决定了其分子的稳定性、优异的电性能表现，故被经常应用在高频PCB中，如航天航空、军工、民用雷达等。但PTFE树脂在覆铜板（CCL）的应用，主要的组成成分是PTFE树脂+玻纤布结构；由于电路设计要求的持续提高，诸如要求更低Df、更小CTE（热膨胀系数）、更稳定Dk及其各向同性，PTFE的覆铜板技术发展趋势逐渐由PTFE+玻纤布增强向PTFE+陶瓷填料填充+玻纤布增强、PTFE+陶瓷填料填充技术转变[1][4]。

1.2 车载毫米波雷达用基材

目前业界车载77 GHz毫米波雷达用PTFE覆铜板材料主要来自R公司、T公司及生益科技等等，本文选择部分PTFE基材其品名分别采用1#、2#、3#、4#表示，其中4#是生益科技的mmWave77基材。这些PTFE树脂不含玻纤布而含填料的CCL主要性能对比如表1所示。

表1 业界主要PTFE覆铜板性能对比表

通过SEM（扫描电子显微镜）表征对比各基材的微观结构（如图1所示）：1#基材ED（电解）铜箔的铜牙Rz较大，填料大尺寸角硅陶瓷粉间夹杂着小尺寸角硅；2#基材是球形填料但大小不均；3#基材HVLP铜箔的铜牙Rz最小，大尺寸不规则填料与球形填料夹杂在一起；4#基材是球形填料。同时，从相关SEM表征来看，成型工艺也明显不同，压合PTFE膜有1张和2张配方，甚至还有采用背胶技术。

图1 典型PTFE覆铜板SEM表征图

尽管各产品均采用PTFE+陶瓷粉填充技术路线，但其铜箔与陶瓷粉组成结构细节和PTFE膜成型工艺的不同，会给PCB加工带来差异，下文针对这类产品常见的问题作出归纳。

2 车载77 GHz毫米波用PTFE基材PCB加工常见问题

2.1 PTFE基材阻焊剥离问题

2.1.1 掉阻焊油墨现象

PCB成品常态下或胶带拉脱测试或刀法测试条件下，阻焊层和PTFE基材剥离如图2所示，即阻焊剂跟基材的结合力偏低。

图2 3M胶带拉脱测试后的PTFE基材明显掉阻焊图

2.1.2 影响因素及解决方案

PTFE覆铜板蚀刻后，基材面因受所覆铜箔铜牙影响而存在密集的蜂窝结构，比表面积较大，但受PTFE自我修复能力影响，其蜂窝结构将随时间的延长而逐渐塌陷（如图3所示），故需控制相关生产效率或在阻焊涂覆前对PCB板进行等离子体再活化处理，但等离子体参数设置非常关键，否则影响效果。且同样的活化参数不一定适合所有厂家的PTFE基材[5]，其原因主要受铜箔类型不同影响，ED铜箔的PTFE基材铜牙较深（3～6 m），其自我修复速度比较慢，但HVLP甚至压延铜箔，其PTFE自我修复速度明显更快。从工艺参数来讲，等离子体活化一般选用H2或N2+O2，H2的活化效果更好，具体参数建议如表2所示。

图3 PTFE基材表面自我修复的SEM表征图

表2 搭配不同铜箔PTFE基材的活化参数条件表

2.2 盲孔加工问题

2.2.1 车载毫米波PCB的常用设计结构

采取微带天线结构设计的77 GHz车载毫米波雷达混压板（如图4所示），都会在天线层、射频层设计盲孔，或作信号屏蔽防火墙或作信号换层使用。该类设计在PTFE基材中的盲孔，受PTFE高温下的热塑性表现影响，其盲孔的加工质量管控将成难点。

图4 典型77 GHz车载毫米波板的混压结构图

2.2.2 盲孔成型方式

（1）机械盲孔。

在PTFE基材上的盲孔孔径设计一般为0.10 mm、0.15 mm、0.20 mm，部分工艺采用机械钻微孔方式加工，即采用相应规格微钻控深钻加工（如图5所示），这种纯PTFE基材微钻控深钻工艺需特别关注其转速、进给速、退刀速、钻头品质的管控。且随激光盲孔加工技术的逐渐成熟尤其是加工效率得到大幅提升，该类机械钻盲孔的应用愈来愈少。

图5 PCB中PTFE层的机械钻盲孔例图

（2）激光盲孔。

UV激光与CO2激光盲孔加工是最常见。CO2激光成孔速度快，虽可加工树脂但因其作为热加工方式，对热塑性PTFE加工理想度欠佳；而UV激光作为冷加工，对热塑性PTFE的盲孔孔型有较大改善。两种激光加工能力比较如表3所述[6]。

表3 CO2与UV激光加工比较表

（3）激光盲孔问题及解决方案。

PCB所用无玻纤增强&陶瓷粉填充PTFE基材的激光成孔加工对激光参数设计要求非常高，诸如光圈大小、脉冲宽度、脉冲次数、成孔模式（一次成孔，多次成孔）等，激光能量过小过大均会容易产生孔底胶渣除不净的情况，总能量过大还会导致盲孔击穿甚至会出现PTFE基材盲孔与混压界面FR4基材相分离，如图6所示。

图6 PTFE基材CO2激光盲孔加工的失效案例图

该类盲孔孔底胶渣除不净有时在常态即会导致连接不良（ICD），有时需经3～5次无铅回流焊之后才会失效。针对盲孔孔底分离位置做SEM及EDX分析，有典型的F元素存在，即说明仍有PTFE残留孔底或是激光成孔时本来就未烧干净，有可能是在后续作业流程时PTFE残胶掉落至孔底或是PTFE气化后重新沉积于孔底所致。经系列试验验证，若采用传统式激光盲孔加工，PTFE+陶瓷填料基材都会有一定概率存在盲孔孔底分离问题，需采用盲孔孔底特殊加工处理方能完全杜绝。改进后的4# mmWave77 PTFE具有良好的激光盲孔加工品质（如图7所示）。

图7 4#基材的激光盲孔加工案例

2.3 PTFE基材变色问题

该类PTFE基材在经过系列湿制程流程处理后，容易产生基材变色问题（如图8所示），其主要受相应PTFE本身存在多孔结构影响，但不同厂家PTFE材料的致密性、陶瓷粉配方细节不同，该问题表现仍有差异。开展一个模拟试验加以验证（如图9所示）。通过普通的油性笔墨水+丙酮配置溶液，用滴管将所配溶液滴在1#与4#基材表面的正面，静置5 min后，观测基材背面：1#基材有墨水渗透，而4#看不到有墨水渗透；进一步比较二者的基材致密度，前者约为2.0 g/cm3，而后者约为2.1 g/cm3。

图8 PTFE基材变色示意图

图9 简单验证PTFE基材变色的滴墨水试验示意图

2.4 过孔焊盘起翘问题

在3～5 次无铅回流焊耐热性测试过程中，发现此类PTFE基材的密集PTH容易出现焊盘起翘（起翘高度约为3～15 μm），并伴随基材拉裂（如图10所示），不管是角硅产品、球硅产品还是角硅与球硅组合的产品都存在该类现象。

图10 焊盘起翘与基材裂纹现象

对焊盘长度及厚度进行分析，经过无铅回焊5次后起翘情况如表4所示，焊盘长度、焊盘厚度均与起翘高度呈负相关。

表4 不同结构焊盘的起翘高度表

继而对比各PTFE基材的热膨胀系数，如表5。球硅的Z-CTE相对偏大，甚至比铜箔CTE（17×10-6/℃）偏大2倍，故若不采取其他改进措施，要杜绝此类PTFE基材上的PTH焊盘起翘问题已是不可能。

表5 各款PTFE基材的CTE指标比较表

进一步从减少焊盘的受热温度与时间、让焊盘尽快散热或者隔热的角度加以改善研究。试验分别选用PTFE球硅与角硅方案，分别设计0.65 mm与0.08 mm Pitch密集通孔结构，均采用阻焊层覆盖一半长度的PTH焊盘设计。试验结果如表6所示，有明显改善效果，相应SEM表征可清晰看到未再看到上述基材裂纹问题。

表6 覆盖阻焊层后的焊盘起翘改善结果表

2.5 机械钻孔爆孔问题

2.5.1 问题现象

针对该类PTFE混压结构板的机械钻孔存在两种叠板方式：PTFE材质放在下表面，PTFE钻屑可能会残留在内层孔壁上，增加ICD概率，但孔口披锋品质相对良好；PTFE材质放在上表面，PTFE层排屑和孔位精度相对较好，但因PTFE材料物理性能较软，钻头下钻瞬间很难找到受力点，若钻头不够锋利、切削速度不够快，则钻头进刀时的机械挤压后又在退刀时发生拉扯，容易导致爆孔现象（如图11所示）。

图11 PTFE基材机械钻孔爆孔缺陷

2.5.2 问题改善

选取0.25 mm机械钻孔孔径、2款双刃单槽USF钻刀、七种盖板方案、三种钻孔参数进行DOE试验（如表7所示），并与PTFE朝上放置的参照组对比，基于各主流厂家PTFE基材的混压板设计（10层、板厚1.60 mm）。

表7 试验所用的三种机械钻孔参数

结果如表8所示，盖板贴合度是影响PTFE材料机械钻孔爆孔问题的关键因素，使用覆膜铝片作为盖板可以明显改善爆孔问题。

表8 机械钻孔爆孔的DOE验证结果

2.6 其他加工问题

77 GHz车载毫米波用的PTFE+陶瓷填料的CCL相对普通材料在PCB加工方面难度要大很多，只有对PCB制程及材料特点有更深入的了解，才能制造出优秀的汽车雷达PCB产品。除以上概述的一些常见的结构性问题，往往还会碰到孔内毛刺、通孔ICD、机械磨板分层鼓泡、孔内无铜问题等，常见缺陷见图12所示。

图12 PTFE基材其他部分结构性缺陷图

这类问题同样可以通过优化PCB制程参数加以改善杜绝。如通孔内毛刺与ICD问题，主要是因为PTFE材料质软，钻孔时经过PTFE与FR-4混压界面时材质发生较大变化，若参数不适当，PTFE层容易出现切削不断，故形成片状的PTFE屑挂在孔壁上或附在内层铜上，继而形成ICD或铜瘤，需重点考虑机械钻孔加工的转速、进给速等优化。PTFE混压板需力避机械磨板，否则板件在无铅回焊热处理过程中很容易出现分层鼓泡问题，这是PTFE的共性问题，除此之外，更会影响天线信号。孔内沉铜不上也是PTFE材料经常发生的现象，需重点关注等离子体处理条件和表面活性改性效果，主要的活化气体有H2、N2+O2、Ar+O2等，确保在PTFE表面引入足够的羟基、羰基和不饱和键等极性基团，表面活性得到明显提高。

3 结束语

77 GHz车载毫米波雷达市场正在快速成长，车载毫米波材料在未来自动驾驶汽车市场的应用量也在持续增加，国产替代进口也迫在眉睫。本文通过与行业多位专家沟通并通过试验验证，针对77 GHz车载毫米波所用的陶瓷粉填充的PTFE混压板的常见结构性问题进行了阐述并提供了相应解决方案。生益科技mmWave77 PTFE基材经过市场的多方验证与研究，符合终端及客户的应用要求，正在并将持续为国内外的车载毫米波雷达提供高性价比解决方案。