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微波·高频·陶瓷·电路板·HDI·软硬结合·多层PCB线路板

高频微波印制板和铝基板
2020-10-28
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一、先说高频微波印制板

1.高频微波印制板在中国大地上热起来了。

    近 年来,在华东、华北、珠三角已有众多印制板企业在盯着高频微波板这一市场,在收集高频波、聚四氟乙烯(Teflon,PTFE)的动态和信息,将这类印制 板新品种视为电子信息高新科技产业必不可少的配套产品,加强调研和开发。一些公司老总认定高频微波板为未来企业新的经济增长点。

    国外专家预测,高频微波板的市场发展会非常快。在通信、医疗、军事、汽车、电脑、仪器等领域,对高频微波板的需求正急速窜起。数年后,高频微波板可能占到全球印制板总量的约15%,台湾、韩国、欧、美、日不少PCB公司纷纷制订朝此方向发展计划。

    欧美高频微波板材供应商Rogers、Arlon、Taconic、Metclad、GIL日本Chukoh近二年始向中国这个潜在的大市场进军,寻找代 理、讲授相关技术。美国GIL公司在深圳举办一场“高频微波印制板之应用与制造技术”讲座,数百个座位全部满座,走廊亦站满了企业代表听演讲,不少老总级 的人物听了一整天的技术讲座。真没想到国内同行对高频板产生如此浓厚的兴趣。欧美板材供应商已可提供介电常数从2.10、2.15、2.17,……直到 4.5,甚至更高的板材系列100多个品种。

    在珠三角、长三角,据了解已有不少企业标榜可以批量订Teflon和高频板订单。据说,有企业 已达到月产数千平方米的水平。国内不少雷达、通信研究所的印制板厂需求高频微波板材在逐年增大。国内华为、贝尔、武汉邮科院等大通信企业需求高频微波印制 板在逐年增多,国外从事高频微波产品的企业亦搬迁来中国,就近采购高频微波用印制板。

种种迹象表明,高频微波板在中国热起来了。

    (什么叫高频?300MHZ以上,即波长1米以上的短波频率范围,一般称为高频。)

2.为什么热了起来?

有三方面原因。

    (1)原属军事用途的高频通信的部分频段让给民用(1996年开始),使民用高频通信大大发展。在远距高通信、导航、医疗、运输、交通、仓储等各个领域大显身手。

    (2)高保密性、高传送质量,使移动电话、汽车电话,无线通信向高频化发展,高画面质量,使广播电视传输,用甚高频、超高频播放节目。高信息量传送,要求卫星通信,微波通信和光纤通信必须高频化。

    (3)计算机技术处理能力增加,信息记忆容量增大,迫切要求信号传送高速化。

总之,电子信息产品高频化、高速化对印制板的高频特性提出了高的要求。

3.为什么要求印制板低ε(Dk)?

    ε 或Dk,叫介电常数,是电极间充以某种物质时的电容与同样构造的真空电容器的电容之比。通常表示某种材料储存电能能力的大小。当ε大时,储存电能能力大, 电路中电信号传输速度就会变低。通过印制板上电信号的电流方向通常是正负交替变化的,相当于对基板进行不断充电、放电的过程。在互换中,电容量会影响传输 速度。而这种影响,在高速传送的装置中显得更为重要。ε低表示储存能力小,充、放电过程就快,从而使传输速度亦快。所以,在高频传输中,要求介电常数低。

    另外还有一个概念,就是介质损耗。电介质材料在交变电场作用下,由于发热而消耗的能量称之谓介质损耗,通常以介质损耗因数tanδ表示。ε和tanδ是成正比的,高频电路亦要求ε低,介质损耗tanδ小,这样能量损耗也小。

4.聚四氟乙烯(Teflon)印制板的ε

    在印制板基材中,聚四氟乙烯基材的介电常数ε最低,典型的仅为2.6~2.7,而一般的玻璃布环氧树脂基材的FR4的介电常数ε为4.6~5.0,因 此,Teflon印刷板信号传输速度要比FR4快得多(约40%)。Teflon板的介于损耗因素为0.002,比FR4的0.02低了10倍,能量损耗 也小得多。加上聚四氟乙烯称之为“塑料王”,电绝缘性能优良,化学稳定性和热稳定性也好(至今尚无一种能在300℃以下溶解它的溶剂),所以,高频高速信 号传递就要先用Teflon或其它介电常数低的基材了。笔者看到,Polyflon、Rogers、Taconic、Arlon、Meclad都可提供介 电常数为2.10、2.15、2.17、2.20的基材,其介质损耗因素在10GHZ下是0.0005~0.0009。聚四氟乙烯基材性能很好,但其加工 成印制板的过程同传统的FR4有着完全不同的工艺途径,这方面在后面会谈到。

    这二年,我们在实践中,除用到要求ε为2.15、2.6的以外,还经常用到ε3.38、3.0、3.2、3.8等Rogers RO4000、GIL1000系列等。

5.高频微波板的基本要求

  a、由于是高频信号传输,要求成品印制板导线的特性阻抗是严格的,板的线宽通常要求±0.02mm(最严格的是±0.015mm)。因此,蚀刻过程需严格控制,光成像转移用的底片需根据线宽、铜箔厚度而作工艺补偿。

   b、这类印制板的线路传送的不是电流,而是高频电脉冲信号,导线上的凹坑、缺口、针孔等缺陷会影响传输,任何这类小缺陷都是不允许的。有时候,阻焊厚度也会受到严格控制,线路上阻焊过厚、过薄几个微米也会被判不合格。

    c、热冲击288℃,10秒,1~3次,不发生孔壁分离。对于聚四氟乙烯板,要解决孔内的润湿性,作到化学沉铜孔内无空穴,电镀在孔内的铜层经得起热冲击,这 是作好Teflon孔化板的难点之一。正因为如此,许多基材厂商研发生产出ε高一点,而化学沉铜工艺同常规FR4作法一样的替代品,Rogers Ro4003(ε3.38)和西安704厂的LGC-046(ε3.2±0.1)就是这类产品。

    d、 翘曲度:通常要求成品板0.5~0.7%。

6.高频微波板的加工难点

    基于聚四氟乙烯板的物理、化学特性,使其加工工艺有别于传统的FR4工艺,若按常规的环氧树脂玻纤覆铜板相同条件加工,则无法得到合格的产品。

    (1)钻孔:基材柔软,钻孔叠板张数要少,通常0.8mm板厚以二张一叠为宜;转速要慢一些;要使用新钻头,钻头顶角、螺纹角有其特殊的要求。

    (2)印阻焊:板子蚀刻后,印阻焊绿油前不能用辊刷磨板,以免损坏基板。推荐用化学方法作表面处理。要做到这一点:不磨板,印完阻焊后线路和铜面均匀一致,没有氧化层,决非易事。

    (3)热风整平:基于氟树脂的内在性能,应尽量避免板材急速加热,喷锡前要作150℃,约30分钟的预热处理,然后马上喷锡。锡缸温度不宜超过245℃,否则孤立焊盘的附着力会受到影响。

    (4)铣外形:氟树脂柔软,普通铣刀铣外形毛刺非常多,不平整,需要以合适的特种铣刀铣外形。

    (5)工序间运送:不能垂直立放,只能隔纸平放筐内,全过程不得用手指触摸板内线路图形。全过程防止擦花、刮伤,线路的划伤、针孔、压痕、凹点都会影响信号传输,板子会拒收。

    (6)蚀刻:严格控制侧蚀、锯齿、缺口,线宽公差严格控制±0.02mm。用100倍放大镜检查。

    (7)化学沉铜:化学沉铜的前处理是制造Teflon板的最大难点,也是最关键的一步。有多种方法作沉铜前处理,但总结起来,能稳定质量适合于批量生产的,不外乎二种方法:

方法一:

    化学法:金属钠加荼四氢肤喃等溶液,形成荼钠络合物,使孔内聚四氟乙烯表层原子受到浸蚀达到润湿孔的目的。这是经典成功的方法,效果良好,质量稳定,但毒性大,金属钠易燃,危险性大,需专人管理。

方 法二:

    Plasma(等离子体)法:需要进口的专用设备,在抽真空的环境下,在二个高压电极之间注入四氟化碳(CF4)或氩气(Ar2)氮气(N2)、氧 气(O2)气体,印制板放在二个电极之间,腔体内形成等离子体,从而把孔内钻污、脏物除掉。这种方法可获得满意均匀一致的效果,批量生产可行。但要投资昂 贵的设备(每台机约十多万美元),美国有名的Plasma设备公司有二家:APS、March。

    近年国内的一些文献亦介绍了其它多种方法,但经典有效的方法是以上的二种。对 ε3.38和Rogers Ro4003高频基材,具有聚四氟乙烯玻纤基材类似的高频性能,又具有FR4基材类似的容易加工的特点,这是以玻纤和陶瓷作填料,玻璃化温度 Tg>280℃的高耐热材料。这种基材钻孔非常耗钻头,需使用特殊的钻机参数,铣外形要常换铣刀;但其它加工工艺类似,不需要作特殊的孔处理,所以 得到了许多PCB厂和客户的认可,但Ro4003不含阻燃剂,板子到达371℃,板子可引起燃烧。国营704厂LGC-046板材,为改性聚苯醚 (PPO)型,介电常数3.2,加工性能同FR4,这个产品在国内亦获得不少单认可使用。

7.高频微波板用在哪里?

    卫星接收器、基地天线、微波传输、汽车电话、全球定位系统、卫星通信、通信器材转接器、接收器、信号振荡器、家庭电器联网、高速运行计算机、示波器、IC测试仪器等等,高频通信、高速传输、高保密性、高传送质量、高记忆容量处理等通信和计算机领域都需要高频微波印制板

8.国内外高频微波板材概况

    国内,除了上述谈到的704厂LGC-046改性聚苯醚板材外,高频覆铜箔板厂TF-2、F4B、F4BK高频微波、聚四氟乙烯板材亦卖得很红火。据说,北京、长三角、广东亦有多间企业在启动、开工。

    国外,主要板材供应商有:欧美Rogers、Arlon、GIL Taconic、Metclad、Isola、Polyclad,日本Asaki、Hitach、ehemical、Chukok等,已形成约高频微波用的纸130个不同介电常数的品种。

    目前的国内外差距:品种、质量稳定一致性、价格;国外大客户认可中国产品有一定难度,等等。

    板材厚度,使用1.5~1.6mm的不多,而0.5、0.8、1.0mm则是比较普通,主要考虑是成本。Teflon板材价格是普通FR4的5~10倍,批量采购亦需约100美元/m2,零星购买需几百美元/m2。

小结:

    高频微波板材应当是高新科技的新品种,随着通信、计算机不断向高频高速发展,未来用途必定会越来越广,越来越大。板材价格亦高,有较大的利润空间,这种产品是有光明前途的。

二、然后再说说金属铝基板

1.为什么使用金属基印制板?

(1)散热性

    目前,很多双面板、多层板密度高、功率大,热量散发难。常规的印制板基材如FR4、CEM3都是热的不良导体,层间绝缘,热量散发不出去。电子设备局部发热不排除,导致电子元器件高温失效,而金属基印制板可解决这一散热难题。

(2)热膨胀性

    热胀冷缩是物质的共同本性,不同物质CTE(Coefficient of thermal expansion)即热膨胀系数是不同的。

    印制板是树脂+增强材料(如玻纤)+铜箔的复合物。在板面X-Y轴方向,印制板的热膨胀系数(CTE)为13~18 PPM/℃,在板厚Z轴方向为80~90PPM/℃,而铜的CTE为16.8PPM/℃。片状陶瓷芯片载体的CTE为6PPM/℃,印制板的金属化孔壁和 相连的绝缘壁在Z轴的CTE相差很大,产生的热不能及时排除,热胀冷缩使金属化孔开裂、断开,这样机器设备就不可靠了。

    SMT(表面贴装技术)使这一问题更为突出,成为非解决不可的问题。因为表面贴装的互连是通过表面焊点的直接连接来实现的,陶瓷芯片载体CTE为6,而FR4基材在X-Y向CTE为13~18,因此,贴装连接焊点由于CTE不同,长时间经受应力会导致疲劳断裂。

    金属基印制板可有效地解决散热问题,从而使印制板上的元器件不同物质的热胀冷缩问题缓解,提高了整机和电子设备的耐用性和可靠性。

(3)尺寸稳定性

    金属基印制板,显然尺寸要比绝缘材料的印制板稳定得多。铝基印制板、铝夹芯板,从30℃加热至140~150℃,尺寸变化为2.5~3.0%.

(4)其它原因

    铁基印制板,具有屏蔽作用;替代脆性陶瓷基材;放心使用表面安装技术;减少印制板真正有效的面积;取代了散热器等元器件,改善产品耐热和物理性能;减少生产成本和劳力。

2.简史

    金属基印制板作为印制板的一个门类,60年代初开始采用,美国首创。1963年美国Ves Ierm Electrico公司作成了铁基夹芯印制板,在继电器上应用,1964年美国的金属基印制板已达到100万块。全国覆铜板行业协会编写出版的《印制电路用覆铜箔层压板》一书(2001.10)说1969年日本三洋公司首先发明了铝基覆铜板的制造技术,1974年开始应用于STK系列功率放大混合集成电路 上,这一点同我查找的文献说法不一样。不管如何,是60年代美日首先使用金属基印制板的。

    日本六七十年代通产省作了很多调查,认可PCB使 用面临的难题是高密度组装时,元器件装配密度高,散热性是个大问题。普通的纸质、玻璃布、环氧覆铜板属绝缘材料,热传导率小,不宜作散热用,多层板层数 多、密度高、功率大时,热量必定排除不出去。因此,必须使用金属基印制板。日本住友、松下电工等公司推出了很多商品化了的金属基覆铜板。

    80、 90年代,金属基板在全球各国被广泛采用,估计全球金属基印制年产值约二十亿美元。日本1991年产值为25亿,1996年为60亿,2001年增长到 80亿日元。美国贝格斯(Bergquist)是专门作铝基覆铜板的公司,声称每年销售这类板材3000万美元,在美国占有市场份额过一半以上。美国德克 萨斯(Texax)、克里夫兰(Cleveland)TechTrade等公司对金属基板都作过很多研究,并也出有产品。中国1986年开始,由国营 704厂开发了铁基覆铜板,用于军工上。但我查阅过历届全国印制电路学术会上的论文,发现最早的一篇文章是成都1010所1983年11月在第二届全国印 制电路学术年会上发表的,题目是“金属基印制电路板制造工艺试验小结”,产品也是用在军品上的。相隔四后后,在1987.9成都全国印制电路第三届学术年 会上电子部10所又发表另一篇论文“铝基芯印制板设计、制造和应用”,说明10所和704厂早年对铝基板都作了大量工作。

    随着中国信息电子产业发展的突飞猛进,在电子、电信、汽车、摩托车、电源、音响等产品上近年来会越来越多地应用金属基印制板。由于市场、技术形势的发展,散热问题已得到了非解决不可的地步,金属基印制正可大显身手。

3.结构

    目前市场上采购到的标准型金属基覆铜板材由三层不同材料所构成:铜、绝缘层、金属板(铜、铝、钢板),而铝基覆铜板最为常见。

(1)金属基材

    铝基基材,使用LF、L4M、Ly12铝材,要求扩张强度30kgf/mm2,延伸率5%。美国贝格斯铝基层分为1.0、1.6、2.0、3.2mm 4种,铝型号为6061T6或5052H34。日本松下电工、住友R-0710、R-0771、AL C-1401、AL C-1370等型号为铝基覆铜板,铝基厚度1.0~3.2mm。

    铜基基材,扩张强度25~32kgf/mm2,延伸率15%。美国贝格斯铜基厚度分5种:1.0、1.6、2.0、2.36、3.2mm,为C11000铜合金。

    铁基基材,使用冷轧压延铜板,低碳铜,具有磁屏蔽特性,厚度0.5~1.5mm。美国贝格斯使用的是殷铜(镍铁合金)、钨金合金、冷轧铜,厚度1.0、2.3mm。

(2)绝缘层

    起绝缘层作用,通常是50~200um。若太厚,能起绝缘作用,防止与金属基短路的效果好,但会影响热量的散发;若太薄,能较好散热,但易引起金属芯与元件引线短路。

    绝缘层(或半固化片),放在经过阳极氧化,绝缘处理过的铝板上,经层压用表面的铜层牢固结合在一起。

    美国贝格斯的绝缘层申报了专利,标准型的铝基板,绝缘层为75微米,而特种型的为150微米。

(3)铜箔

    铜箔背面是经过化学氧化处理过的,表面镀锌和镀黄铜,目的是增加抗剥强度。铜厚通常为0.5、1.2盅司。美国贝格斯公司使用的是ED铜,铜厚有1、2、3、4、6盅司5种。我们为通信电源配套制作的铝基板使用的是4盅司的铜箔(140微米)。

    美国提供的铝基板标准尺寸是二种:16″×19″、18″×24″。可使用面积:减一英寸。铝基面还有加与不加保护膜之分。

4.制造难点

铜厚为4.5OZ铝基板,制造上会遇到以下难点:

    (1)工程设计线宽补偿:因为铜厚,线宽要作一定补偿,否则蚀刻后线宽超差,客户是不接收的,线宽补偿值要经验积累。

    (2)印阻焊的均匀性:因为图形蚀刻后线路铜厚超常规,印阻焊是很困难的,跳印、过厚过薄客户都不接受。如何印好这一层绿油也是难点之一。

    (3)蚀刻:蚀刻后线宽必须符合客户图纸要求。残铜是不允许的,也不能动刀子刮去,动刀子会刮伤绝缘层,引起耐压测试起火花、漏电。

    (4) 机械加工:铝基板钻孔可以,但钻后孔内孔边不允许有任何毛刺,这会影响耐压测试。铣外形是十分困难的。而冲外形,需要使用高级模具,模具制作很有技巧,这 也是作铝基板的难点之一。外形冲后,边缘要求非常整齐,无任何毛刺,不碰伤板边的阻焊层。通常使用操兵模,孔从线路冲,外形从铝面冲,线路板冲制时受力是 上剪下拉,等等都是技巧。冲外形后,板子翘曲度应小于0.5%。

    (5)整个生产流程不许擦花铝基面:铝基面经手触摸,或经某种化学药品都会产生表 面变色、发黑,这都是绝对不可接收的,重新打磨铝基面客户有的也不接收,所以全流程不碰伤、不触及铝基面是生产铝基板的难点之一。有的企业采用钝化工艺, 有的在热风整平(喷锡)前后各贴上保护膜……小技巧很多,八仙过海,各显神通。

    (6)过高压测试:通信电源铝基板要求100%高压测试,有的客户 要求直流电,有的要求交流电,电压要求1500V、1600V,时间为5秒、10秒,100%印制板作测试。板面上脏物、孔和铝基边缘毛刺、线路锯齿、碰 伤任何一丁点绝缘层都会导致耐高压测试起火、漏电、击穿。耐压测试板子分层、起泡,均拒收。

    以上说的都是单面铝铝基板制作要克服的生产和工艺上的难题。现在,一些单位作铝基芯印制板,即双面铝基印制板,及盲孔多层铝基板,用到汽车、通信、仪表行业上,这里就不逐一叙述了。

5.主要性能:

    这是摘录的是美国贝格斯(Bergquist)铝基板的产品性能及试验条件:

印制电路用覆铜箔层压板

    上表中“中国指标”录自《印制电路用覆铜箔层压板》一书(2001.10)P373。还有,为了申请铝基板UL认证,需要花费约2.5~3.0万人民币,比 通常印制板UL认证要贵得多。另外,我们曾经破坏过多个被击穿了的铝基板,查找被击穿的原因,发现绝缘介质层仅为树脂、无纤维,厚度75微米,涂覆均匀; 凡绝缘层上一丁点针孔、微粒、黑点、垃圾都是造成铝基板被高压击穿的原因,所以绝缘层涂覆的环境控制非常重要。

    从上表中明显可看到,美国产品的各项指标都比国产指标要高。大概这也是国内的通信大客户至今还不认可国产铝基板材的原因之一。

    基材表观:铝基上任何明显的擦痕、划伤、针孔、凹点、条纹状磨刷印都不接收。

6.应用和供应商:

(1)应用领域:

    通信电源:稳压器、调节器、DC-AC转接器;

    电子控制:继电器、晶体管基座、各种电路中元器件降温;

    交换机、微波:散热器、半导体器件绝缘热传导、马达控制器;

    工业汽车:点火器、电压调节器、自动安全控制系统、灯光变换系统;

    电脑:电源装置、软盘驱动器、主机板;

    家电:输入-输出放大器、音频、功率平衡放大,等等。

(2)供货

    金属基市场在中国正在逐年扩大,国外很多电子装配商亦在国内投资建厂,商机是无限的。目前珠三角已有很多工厂作铝基板,而通信电源用的铝基板,例如艾默生 (安圣、华为)、中兴等目前还是使用进口基材,国产的价格虽便宜,但据说试过多次未有一家能认可。珠三角已有几家工厂目前到达月产几十、几百K的量,估计 产量为数百平方米。在作批量生产方面逐渐积累了很多经验。