近日，I-Connect007出版商Barry Matties和他的编辑团队就尖端材料的问题与PCB制造商展开了讨论。出席这次讨论会的有Summit Interconnec t公司的工程部总监Gerry Partida；All Flex Flexible Circuits公司的项目经理Joe Menning；以及Accurate Circuit Engineering公司的总经理James Hofer。这次讨论以工艺、挑战、高速材料的采购和在设计阶段与客户的合作为中心。
Patty Goldman: 我们今天来谈一谈高性能材料和高速材料。我们已经和一些层压板供应商交谈过，但我们同时也希望了解制造商的想法。我们邀请你们是想了解制造商是如何处理材料的，以及你们对供应商有哪些需求、你们认为读者应该了解先进材料的哪些方面。
Barry Matties: 我们先来谈一谈高速材料，从高速材料的采购到加工再到交货，甚至从OEM指定材料角度出发，你们遇到的最大的挑战是什么？先从你开始吧，Gerry。
Gerry Partida: 谢谢你给予的这次机会让我们分享自己的想法。这件事非常重要。在层压或加工材料时，许多RF材料都很难配准。有很多RF材料是没有或很稀疏地进行玻璃纤维强化。当我们为了进行环氧树脂填充将材料或盲孔层压结构整平时，这些材料会呈拉伸状态。我们把这种情况称为泡泡糖现象，因为每当整平一个环氧树脂填充孔时材料都会变形。与此同时，材料移动程度非常大，有时能达到标准玻璃纤维强化环氧树脂材料移动程度的3倍之多。
最大的挑战之一是——保持并控制材料的配准，知道材料最终的偏移程度。这种材料成本非常高。我喜欢将制造FR-4板、常规、数字或任何其他简单的板与制造RF板比喻成玩骰子。FR-4板与RF板的不同之处在于，FR-4板就像是周六晚上在内华达Laughlin小赌场玩穷人们的最小赌注5美元的骰子；而RF板则像是周六晚上九点在拉斯维加斯百丽宫玩土豪们的最小赌注25美元的骰子。同样的规则、同样的赌局，但因为配准和一些其他有趣的事情造成了买入价格不同，你可能会瞬间赔个精光，也可能赢个盆满钵满。
另一个最大的挑战是——材料本身，包括它的柔软度、它的配准难度以及加工工艺。其中一点就是要固定配准与材料。这一挑战的其他部分在于材料化学沉积的能力和保持剥离强度的能力。许多材料的剥离强度都比较低。很多RF材料上会出现污点。我们认为它是平整的，但当你钻孔并覆盖内层焊盘的内表面时，它会被弄脏；这会造成不符合IPC-6012刚性PCB性能规范。虽然IPC-6018有关高频/微波PCB的性能规范中允许这种情况出现——但是污点一直是许多高速材料中的一个隐患。
聚四氟乙烯（Teflon / PTFE）表面材料也给我们带来了一些挑战，因为这种材料需要特殊处理才能让阻焊层或字符附着在上面。
Matties: 你们在配准时如何减少问题的产生？
Partida：我们用软件对生产的每一块面板、每一个树脂体系和每个层压周期的数据进行收集。这些信息会成为一个反馈系统，用来预测以后的产品能否首次制造就达到目标，以便降低材料损失的风险。有时候，如果我们看到一个从未见过的结构，我们会通过试做模型来调整比例系数，或者我们会对客户说“你想要一块3级板，但这是块工程板。因为我们了解这种层叠结构，我们可不可以生产2级板？”他们有时是会配合我们的。
RF界和印制电路板制造商之间的合作非常融洽。为了获得成功我们必须齐心协力，所以我们会用到那些工具。还有一个挑战是使用过多的高速RF材料或零件会出现不平衡的结构。比如说，我们生产的第一批线路板是1-2层、1-5层、1-7层、1-9层、1-11层、12-14层和1-14层的层压结构。不过根据反馈系统的预测指标，我们在第一次生产时就达到了要求。
Matties: 哇。这种软件是现成的还是你们自己开发的专用软件？
Partida: 我记得这个软件在3、4年前的APEX展会上获得了最佳参展产品奖。这家公司的名字是XACT PCB。当你使用高速RF在高频情况下工作时，工程师们总是会用到许多不同的材料组合，不论你的数据库中存在这样的组合或者这是你第一次见到这种组合，对你来说这都是一种挑战，这时反馈系统的预测指标会告诉你“我没见过这个东西。祝你好运咯。”
Matties: Joe，你们在挠性材料方面遇到了哪些难题呢？
Joe Menning: 在挠性材料方面我和他们的很多想法都一致。虽然我们在高速材料领域涉猎不多，但我对加工处理方面也存在担忧。在挠性材料领域我们显然已经习惯了材料的位置发生偏移、形状发生改变，但我要强调一个事实是：我们用过的很多高速材料比传统的挠性材料更具有挑战性。关于PTFE，我想说它是一个很棒的高速材料，但是在接合力方面表现欠佳，使用时必须要做一些预处理，所以在这方面也是非常有挑战性。
Matties: 在挠性材料领域，你们已经花了很长时间处理材料移位问题。你们是如何处理校准问题的？
Menning: 对我们来说，处理这个问题需要真正了解基础材料和它们的移动方式。和Gerry不一样，我没有那样的软件可以实时监控这个问题，但我们会尝试减少基础材料的配置，必要时我们还会进行工程评估来开发比例系数，这样就可以预见性地将图案缩放以弥补材料的收缩。
Matties: 很多新型加工设备可以在单块线路板上进行修改。它们能够找到配准和X射线的最佳中心点，从而钻出效果最佳的孔。这是你们正在使用的技术吗？
Partida: 我们将这种技术和XACT软件结合使用，所以它不仅能得出各层之间的照准点距离多远，还能告诉你在下一次遇到同样的面板和工具时该如何操作。它会用新型治具将面板摆好，这样面板就能一致地固定在钻孔机上。所以出现偏差时，它会针对每块板的偏差进行校准、将其摆好位置。
Matties: 我知道你们正在大批量生产，但当你在加工和修改一块独立的面板时，这真的能让同一批次的产品都是一样的规格么？
Partida: 真的可以实现所有面板使用了同样的调零治具。如果一块面板稍微向右偏了0.5°而另一块面板向左偏了0.5°，一块面板向下偏移了1mil而另一块向上偏移了1mil，这时新的治具就可以用来对它们进行调零。这种方式让你可以在钻孔时显著提高配准精度。比起随意固定你的面板，现在这种简洁的全新治具能将面板整齐地摆好。在最后的环形圈配准和横截面配准时，它可以大幅提高效率。
Matties: 治具分为有销系统和无销系统。在处理配准问题时你有没有研究过这两种系统？对此你有什么看法？
Partida: 我想对无销系统发表一些看法。这种工具的使用方式是通过加热的方式将面板核心外部焊接到半固化片的核心上，但我不认同这个原理。板芯是会缩小的。板芯的玻璃纤维样式和织法会导致板芯缩小，而半固化片则是使其发生变化的原因。如果你使用的是14芯、2盎司而不是3芯、2盎司的信号线，它们移动的方式将会是不同的。
焊接不能仅仅停留在外部，我不认为这样可行。根据配准软件给我们提供的信息，我们对产量进行了追踪，知道了报废面板的数量。当我和朋友说起用无销系统进行板芯配准时我们一年内报废面板的数量，他们对如此低的报废率感到非常惊讶。这没什么大不了的。我们因为配准失准问题每个月报废的面板数量在12片以下。
这个系统帮我们完成了非常多的任务，这些任务既不需要加固也不需要多个层压周期，所以我认为没有必要改变这一系统。只要我们能预测出它的移动方向，我们就能在层压时保持在安全的位置。我们前后大概花了2年半时间才把整套反馈系统组装好，这是个非常优秀的系统。
Matties: 太棒了。你们花了好多心思在这上面，这非常不容易。90%在于创建计划，而一旦计划开始实施，就能获得长期优势。
Partida: 我认为这也是我们在RF界取得成功的原因。这些特性发挥出最佳效果是十分关键的。你用交叉的方式看射频（RF）时会看到不同或有趣的现象。我们一直都在使用RF材料，但大多数是用在半导体制造上。在我们9、10年前刚开始接触RF界的时候，客户会给我们打电话询问“你们在搞什么？”然后我们回答道“怎么了？”“这些零件看起来都一模一样啊。”我会说“这不是应该的吗？”然后他们说“对啊”，然后他们就咯咯地笑了起来。
还有工艺控制。如果一家板厂没有进行工艺控制，并且他们在不同时间把同一批次的面板送入蚀刻机中，如果他们只将同一批次中的一个内芯板送入氧化多次而其他的没有进行同样的操作，如果他们将同一批次的板进行不同次数的层压加工，如果他们反复进行化学镀工艺并且还返工 ，如果我们将以上偏差都带到了加工过程当中，到最后这批面板中不会有任何两块面板是一模一样的。而这些偏差也正是让RF从业者感到抓狂的地方。
你必须从头至尾都实行工艺控制。因为在线路板和线路板之间、面板和面板之间、批次和批次之间，你希望成品的性能表现是相同的。
Matties: 是的，最好的情况就是让它们完全相同，确实很少制造商能做到。
Partida: 对了，还有这一点；有很多加工方式像FR-4的层压材料陆续面世了。对于多数RF而言，Megtron 7, Megtron 6对RF来说是非常好的材料，特别是Megtron 7。Isola公司生产了I-Tera、Astra、Tachyon，我们看到许多RF领域的客户使用这些材料。同时，我们也没有遇到需要特殊等离子处理的PTFE加工问题。因为剥离强度低，并且无法将其蚀刻回去。这些新材料几乎和PTFE的性能是一样的，但它们是玻璃纤维织物，所以更加稳定。
我们能控制配准。我们不需要经过复杂的等离子处理循环在孔内沉积化学镀铜。我们还可以在不造成面板变形的前提下将线路板整平。这些新材料有更多的选择和电介质尺寸供RF应用使用，提供了前所未有的多种选项，因为他们必须在特定位置使用特定粘结片或在所在位置使用特定内芯板。如今他们可以使用不同的内芯板厚，并在必要时在叠层结构中交换使用半固化片和内芯板。
Matties:所以这也提供了很强的灵活性？
Partida: 是的，比以前灵活很多。有些材料偏移程度很大，但又要求使用内芯板并且配准要精确无比，这在过去是不可能实现的。而如今你可以使用一个半固化片和一片金属箔就能实现，这个方式下不可能配准失败，你只需通过配准软件就能对内层进行配准，钻出精确的孔。现在，你可以去做很多之前无法完成的事情。这种新材料非常令人兴奋。它已经研发出来2、3年了。虽然对电子行业来说这个材料很新，但其前景一片光明。关于一些已经生产出的RF PCB，我从客户那里听到了一些非常好的反馈，他们说“我们生产了第一块线路板，成功了，我们用同样的配置去匹配其他线路板，得出的结果都很正常……”之后当你回答“这种情况不常见吗？”他们会说“是的，不常见。”
Matties: 你问他们这个问题时当然知道这种情况不常见；只是这样问会很有趣。
Partida: 你希望了解新材料的反馈情况对吗？
Matties: 是的。我们之前和一些材料供应商谈过，他们说最大的难题之一就是新材料获批过程耗时太长了。新材料获批进入生产流程可能要花上好几年的时间。这会对你们的材料选择有什么影响？我们知道一些材料在未获Cisco或其他公认供应商的批准之前就投入了使用。
Partida: 在军事工业中，他们不会使用任何未经批准的材料，这种做法是公认的。他们的产品都需要生产很长一段的时间，所以层压板供应商会确保材料是获批的。当你和终端客户交涉时，尤其是军事行业的客户，你一定要提供已被市场接受的产品。多年来，我们很幸运能在产品有零件编号之前就与层压板制造商合作测试了材料性能。他们雇我们对线路板进行层压处理，我们也受雇去学习材料的使用方式，然后我们得到了材料性能良好的反馈。这6-8年来，我们一直很幸运能从这种合作关系中受益匪浅。
Menning: 在挠性材料方面，我们大多数材料都是来自DuPont或Panasonic这样的公司，并且我们的运营方式也几乎一样。如果市面上现有的材料组合都无法满足客户的需求，那么我们会和供应商紧密合作研制新材料，并且为了帮助客户适应这些新材料，我们还会试做评估。在我们这边，很多需求都是和高温材料有关，而不是高速材料。传统丙烯酸粘合剂一般最多能承受150℃，如果我们的客户要将产品应用到井下钻探中，那么传统丙烯酸粘合剂就无法承受这种作业温度，需要使用新的材料组合。这些高温材料对我们的挠性加热器业务也非常有价值，在客户需要一个局部热源和耐热性强的挠性线路时，我们可以将挠性加热器和挠性线路结合使用。
Matties: 随着许多新材料进入了市场，让客户试着接受这些新材料会有多困难？很多客户都会指定品牌并且一直坚持使用，你认为他们会乐于改变么？
Partida: 很多时候当他们发现现有材料无法满足自己在配准、尺寸、介电层厚度方面的设计需求时，他们就会乐于接受新材料。正如我之前所说，我在电子行业工作了30年了，RF领域是我见过的最乐于接受建议、最积极与制造商合作的群体。走进一间坐着10个博士的房间，然后他们问你一些非常好的问题，这个过程是很有趣的。他们乐于合作，对使用不同方式解决问题怀有极大的热情。他们对新材料持开放态度，但是一旦确定了产品的特定使用范围或材料选择，他们就很少去做出改动。既然已经知道这些方式行得通，他们就不愿偏离已有的成果。
Matties: 他们知道这些方式行得通，所以不愿为了省那几美金就去改变材料组合。
Partida:是的，你这个表述非常准确。
Goldman: 你们都谈到了PTFE这类材料的预处理问题，我很好奇你们是怎么稳定这种材料尺寸的？在预处理那些表面非常平滑的材料时你们是怎么操作的？
Partida: 在大多数情况下，最后是等离子体与氢循环协同工作，然后进行清洗。这一步会让表面具有粘性，方便化学镀铜粘附到上面。含钠腐蚀剂具有相同的效果。即使是针对阻焊层和字符，它的表面都太滑了，不适合进行胶带测试，因为它会在测试过程中一点点地剥离。必须活化表面（我们喜欢用制造过程中的技术术语）然后让表面具有粘性，这样阻焊层才能附着在上面。
Menning: 是的，我们在挠性材料领域也这样操作。通常我们在活化表面时使用的是等离子处理方式。但这种技术有一个缺点，是暂时性或者说是有时效的。它可以改变表层的化学性或是在材料表面产生可粘结层，但如果不在这一步骤完成后立刻进行涂层处理、层压处理或阻焊层，这一粘结层就会在大气环境中失效。所以你只有非常短的时间窗口去做后续处理。
Matties: 我和Whelen Engineering公司的Alex Stepinski交谈过。他说如果不让产品排队等待加工会节省很多加工时间。这和你所说的是一致的，如果线路板不用排队会有非常好的效果。你也正在着手这方面的工作。
Andy Shaughnessy: Gerry，多年来我们都和这些层压板供应商保持联系，他们说最近正在开发一种折中高速材料，既保留了PTFE的优点，又去除了它在可制造性中的缺点。你们还知道有哪些这类高速层压材料具有FR-4的操作性能？
Partida: Megtron 7, Megtron 6, Isola公司的Astra, I-Tera 和Tachyon。这些材料已经开始投入使用了，表现都非常好。我认为4000-20 和4350-20也不错，但是不如前面提到的那几个使用广泛，不过它们也开始受到人们的关注。
Shaughnessy: 很高兴能听到这些。他们非常积极地在开发这种材料。在过去几年中，他们说很多人都是习惯性地指定使用PTFE，于是对生产过程造成了过度限制，导致线路板的制造成本贵了两到三倍。
Partida: 是的，这就好比在拉斯维加斯的百丽宫一下子输了个精光。
Matties:关于高速材料我们还有什么重要的方面没有谈到吗？
Partida: 我认为关于高速材料，你还应该了解的非常关键的一点是GD&T（几何尺寸和公差）。这对蚀刻十分关键，因为它们要配合治具实现其他特征。对于蚀刻的内部开孔，其公差比你平时在印制线路板上看到的要小一些，所以这一步很有难度。你必须使用精密的分板机，才能在蚀刻和分板前或基于蚀刻图案给线路板开孔前符合蚀刻特征，所以有时你只有2 mil的加工窗口，距离非常紧凑。
Menning: 在挠性材料方面，高速材料倒不是必需的，但我们的挠性线路的长度经常会超过2.54 m，并且其覆盖层是按照图像模板制作的，显然与这种覆盖层的叠合是非常困难的。我们现在越来越多使用的一种方式是将覆盖层铺在整个模板上，对挠性线路的关键区域使用局部配准功能，然后用激光将覆盖层烧蚀掉，最后用等离子体将上面的碳元素去掉。使用这种方式，我们基本消除了比例系数，而且覆盖层能匹配蚀刻的特征，这个过程和Gerry刚刚说的那个很像。
Matties: 这些方式要涉及到很多会移动的零件。
Partida: 这也是一种挑战，不是吗？
Matties: 你们也是知道的，这里涉及了太多的变量，很难保证会一直生产出质量合格的线路板。
Goldman: 我认为这也是一个不断在前进的目标，因为你不会放松下来说“好吧，我们明年就一直用这种材料来制作这种固定风格的产品。”一切都是在不断向前发展的。
Partida: 是的。对RF的使用和需求会越来越大，尤其是在军事甚至是商用领域。
Matties: 它们现在已经随处可见了。我敢肯定你们已经能在工厂里看到它了，并且会站在设备旁与其他人讨论这种材料。这真是一个飞速发展的时代。我很感谢你们今天能抽出时间和我们分享你们的见解。
Goldman: 这对我们读者非常有帮助。
Matties: 我们的宗旨就是帮助整个行业进步，你们帮了我们很大的忙。现在行业走势非常强劲，对我们来说是好事。所以，谢谢你们。
本文刊登于《PCB007中国线上杂志6月号》，更多内容欢迎阅读原文。
