高频混压阶梯PCB翘曲控制技术
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【摘要】高频混压阶梯印制电路板主要基于通讯、电子产业领域的迅猛发展，以及随之而来的针对信息数据的高频、高速化传输要求而出现，其生产制造过程中最常见又最难解决的缺陷以翘曲控制首当其冲。本文结合高频PTFE板材与普通FR4板材混压设计的阶梯印制电路板为范例，挖掘引起该类产品设计翘曲的根本原因，并提出相应翘曲控制技术。
【关键词】高频；混压；阶梯板；翘曲
一、引言
伴随通讯、电子产业领域的迅猛发展以及随之而来的针对信息数据的高频、高速化传输性能要求发展趋势，全球pcb规模与技术不断更新， 在此趋势驱动下出现了高频混压阶梯印制电路板设计。该设计具备两大优势：其一，较大幅度地增大PCB散热面积及表面贴装原器件的安全性，减小体积，提高产品组装密度；其二，在满足整体性能的要求条件下，必要的信号层采用如PTFE结构的高频板材以保证信号高速、不失真传输及阻抗匹配性能要求，其他信号层采用如FR4普通板材，通过优化组合的方式为客户节约成本。
基于上述高频混压板材设计，从经济角度分析，混合板材设计的确实现了成本的大幅消减；从技术角度分析，由于不同板材自身物理性能差异、材料结构的不对称性，对PCB制作商工艺生产带来较大的挑战。本篇文章范例讲解的四层混压印制电路板，除了拥有混压高频板材与普通板材带来的技术挑战外，还兼具了二、三层大面积铣阶梯槽带来的层压受力不均等影响因素。下文先从翘曲的基本概念、检测手段、形成机理分析方面入手，然后详细探究高频混压阶梯印制电路板翘曲控制技术。
二、翘曲概述
翘曲现象是层压板厂、 覆铜板厂、印制电路板厂共同关注的产品缺陷。对于采用不同材料混压制作的印制电路板，由于各种PCB原材料热膨胀系数迥异，导致线路板在加工过程中很难做到彻底消除翘曲，只能尽可能的控制翘曲度在合理的验收范围。
2.1 翘曲的定义
翘曲指板件某一部分偏离其所在平面的变形值，通常由弓曲和扭曲来做以衡量。IPC标准对翘曲的基本定义是：弓曲是印制电路板类似于柱形或曲球形状的一种变形，形象描述见图1弓曲示意图， Y1表示最大弓曲垂直位移；扭曲是矩形印制电路板在平行于对角线方向的一种变形，形象描述见图2扭曲示意图，Y2表示最大扭曲垂直位移。
2.2 翘曲的测量
翘曲的测量包括弓曲的测量与扭曲的测量，单位以百分率形式表示。
弓曲测量方法：将印制电路板凸面向上置于测试平台，观察每一板边的两个角能否接触到平台。对接触不到平台的板边两个角施加压力，用塞规测量板边与平台的最大垂直位移，即图1所示的Y1。
弓曲计算公式：
式中：α表示弓曲百分率，Y1表示最大弓曲垂直位移，L表示电路板与平台垂直位移的那条边接触到平台的长度。
扭曲测量方法：将印制电路板置于测试平台，使任意三个角接触平台。通常需要施加外力于测量板的一个角，以保证四个板角中的三个可以接触到测试台面。用测隙规或塞规测量并记录不接触平台的角与平台的最大垂直位移，即图1所示的Y2。
弓曲计算公式：
式中：α表示弓曲百分率，Y2表示最大扭曲垂直位移，L’表示电路板与测量平台接触时对角线长度，分母中包含系数2是因为对测量板施加外力保证其可以接触到台面，相当于使扭曲的垂直位移增加了一倍。
2.3 翘曲的形成机理
导致印制电路板翘曲产生的因素较多，涉及原料基板本身的品质因素、生产工艺流程部署、生产设备条件等。针对不同生产链条翘曲的产生的主要原因各有侧重，例如，对于原料基板生产商，分析翘曲因素主要侧重于原材料品质因素分析、树脂配方分析；对于线路板加工商来说，分析翘曲原因时则更多的关注于工艺流程、工艺管控方面的分析。
翘曲形成机理之――原材料品质因素
覆铜板主要是由铜箔、基材、粘结剂组成，制造工序历经低温―高温―冷却降温过程，此过程中，由于三大材料的热胀冷缩差异很大，并且玻纤布的纵向与横向固化收缩率不同，势必导致成品板内部积攒较大的内应力产生翘曲变形。
翘曲形成机理之――设备因素
压机工作时，压腔温度、压力、升温速率均是影响要素，除此之外，还要考虑压腔平整度和加压条件下的平行度。这是因为压腔或模具长期使用变形，导致表面凸凹、平行度变差，致使压力分布不均匀，容易使层压板内积存应力产生翘曲。
翘曲形成机理之――生产工艺因素
生产工艺流程中，钻孔、铣外形等机械加工工序，图形转移、蚀刻等湿法加工工序都会导致内部应力的不规律变化，对成品板的翘曲带来不可忽视的影响。例如丝印阻焊和喷锡后热风整平工序，板子还要经过高温烘烤和高温冲击，也会导致板子翘曲。
翘曲形成机理――PCB设计因素
产品板由于设计者的设计理念、设计标准的缘故，最终确定的PCB布线图不能保证完全对称，尤其对于多层板来说，各层走线如果差距较大的话，例如阶梯式设计，非常容易导致板件翘曲变形。
三、高频混压阶梯板翘曲管控措施
翘曲现象是层压板厂、 覆铜板厂、印制电路板厂共同关注的产品缺陷。对于采用不同材料混压制作的印制电路板，由于各种PCB原材料热膨胀系数迥异，导致线路板在加工过程中很难做到彻底消除翘曲，只能尽可能的控制翘曲度在合理的验收范围。
3.1 高频混压阶梯设计
本文介绍高频混压阶梯板，制作过程先对需要铣阶梯槽的层数铣槽处理，再将不同板材混合压合在同一PCB上处理而成，其压合结构示意图见图3。
板材组合
高频部分L1―L2层选用Taconic RF―35，充分运用其耐高温低温，抗老化的优越性能；L3―L4层选用普通FR―4板材，利用板材易加工、便于层压等特性。
这种通过组合两种不同的板材进行层叠、混压而形成的组合板结构，确保了高、低频性能需求，保证线路板可以满足大信息量传输，并且节约成本，但是这种不对称混压设计给工艺生产带来了较大挑战，两种材料热膨胀系数的差异导致在加工过程中很容易产生翘曲不良现象，板材性能参数比较见下表1。
阶梯设计
阶梯设计可以有效满足产品的形状需求，最大限度的利用空间，保护元器件，阶梯槽的设计导致整个板面不对称，带来压合过程中受力不平衡，从而导致板翘，本文选取的高频混压阶梯板L3―L4层做铣槽工艺处理。
3.2 翘曲管控措施
层压料温控制
基于图1不对称结构设计，生产过程中，该设计的结构经过高温高压条件后，在冷却过程中，由于内应力释放不平衡，以及由于CTE不兼容导致两种板料的涨缩不同步，容易产生弓曲、扭曲现象。为了应对此现象，采取的管控措施如下：
普通PP片层压时的待机温度一般为140℃，使用1.5℃/min～3.0℃/min的升温速率，可以保证其能够充分填充线隙，满足板面平整度和外观要求。由于No Flow PP流动性差，采用180℃的待机温度和4℃/min～5℃/min的高升温速率，可以保证其达到树脂的最佳流动状态；另一方面，增加高压段压力至500PSI，热压时间调整至180min，可以保证No Flow Pp能够更好的填充线隙，降低产生翘曲的风险，层压料温控制见表2，料温曲线图见图4。
烤板释应力
钻孔完成后，基板的表面积增大，在150℃条件下，烤板3小时，通过孔释放板材内应力，增加内应力释放效果。需要说明，烤板过程叠板方式的选择关系应力释放效果，若以插架的形式烤板，则牵扯到架子对板子的挤压等外界影响因素，以及应力释放的随意性，导致PCB板面平整度欠佳。经试验摸索，建议采用叠板的方式烤板，并控制叠板层数。叠板烘烤的优势在于：一方面避免了插架等影响因素；另一方面由于PCB层叠平放，在烤板过程中，板与板之间形成相互制约应力释放的效果，有助于板内充分受热释放应力，有效保证了PCB的平整性。
阶梯槽防凸凹措施
阶梯板层压时，一般都会向阶梯位垫相应的垫片，保证阶梯板模仿正常板制作，怎样选取合适的垫片，保证层压等工序品质的可靠性，是一个研发重点，选用的垫片厚度或大小补偿不合适，就会造成在层压过程中的凹陷或凸起问题。阶梯槽垫片结构示意图，如下图5。根据多次试验尝试，我们采取如下管控措施：
图示垫片材质选择PTFE高频材料代替No Flow PP（无铜基板垫片）垫片进行层压垫片处理。原因是PTFE高频材料受热膨胀系数较小，并且PTFE具有良好的阻胶性，选用PTFE高频材料作为槽位垫片，可以更好的控制垫片的补偿大小和厚度，有效避免了因为PP片补偿不当而造成的槽位凹陷或凸起不良。
在槽位的大小基础上，垫片单边减小0.3mm左右，厚度与层压后的阶梯槽厚度一致制作。层压过程中，阶梯槽位会产生相应的膨胀，若垫片大小与槽位大小一致，则在层压时板材膨胀的内应力不能有效释放，从而造成阶梯槽边缘凸起现象。经反复验证，将垫片单边减小0.3mm，可有效避免此现象的发生。
四、结束语
实验结论证明，采用本文介绍的高频混压阶梯印制电路板翘曲控制技术对在线板进行管控，并应客户要求由第三方检测机构进行权威检测，依据IPC―TM―650.2.4.22B测试，检测结果：弓曲量：0.18%；扭曲量：0.14%符合各项指标要求。
本文高频混压阶梯印制电路板翘曲控制技术基于大量实验的基础之上提出，结合实际案例深入浅出地讲解高频混压材料如何防翘曲的技术要点，对业界同行从事该技术领域生产制造提供了借鉴意义。
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作者简介：
宋建远，工学硕士，技术中心研发工程师、知识产权工程师，主要从事PCB新产品、新技术的研发及公司知识产权维护、政府资助政策解读、科技项目申报。