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微波·高频·陶瓷·电路板·HDI·软硬结合·多层PCB线路板

微波印制电路板多层化制造研究
2020-10-28
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1、前言

  众所周知,我们将波长短于300mm或频率高于1000MHz(1GHz)之电磁波,称为微波。微波印制板是指在特定的微波基材覆铜板上,利用普通刚性印制板制造方法生产出来的微波基板

  在印制线路板导线的高速信号传输线中,一类是高频信号传输类电子产品,这一类产品是与无线电的电磁波有关,它是以正弦波来传输信号的产品,如雷达、广播电视和通讯(移动电话、微波通信、光纤通信等)。

  为了达到高速传送,对微波印制板基板材料在电气特性上有明确的要求。在提高高速传送方面,要实现传输信号的低损耗、低延迟,必须选用介电常数和介质损耗角正切小的基板材料。高速传送的基板材料,一般有陶瓷材料、玻纤布、聚四氟乙烯、其它热固性树脂等。在所有的树脂中,聚四氟乙烯的介电常数(εr)和介质耗角正切(tanδ)最小,而且耐高低温性和耐老化性能好,最适合于作高频基板材料,是目前采用量最大的微波印制板制造基板材料。

  随着3G通讯的迅猛发展,设计者对印制板介质材料的选择,更加复杂。遥想当年,材料的选择是基于价格和性能的抉择。通常来讲,设计师选择材料时,注重的往往是电性能指标、温度稳定性、频率稳定性和热膨胀系数指标。

  反过来,相当于微波印制板的制造者来说,更加关注的是微波材料的可加工特性。在微波印制板的制作过程中,钻孔、孔金属化前的活化处理、金属化孔制作、层压及表面涂敷处理等工序的加工及过程控制,将直接制约着最终微波印制板的质量及可靠性。

  纵观微波印制板的加工历史,经历了简单双面微带板的制作、双面耦合微波板的制作、孔金属化微波印制板的制作,以及目前方兴未艾的微波多层印制板的制作。林林总总,所有这些,都是建立在印制板制作工艺技术不断提升的基础之上。

  在多层微波印制板的制造方面,美国同行已掌握并实现了多种型号双面微波层压板基材的微波印制板多层化制造技术。其中包括微波介质基板多层化层压制造、金属化孔互连及埋/盲孔制造、多层微波印制板电装及耐环境保护性阻焊膜制造、多层微波线路表面电镀镍金以及多层微波印制基板的三维数控铣加工等制造技术。

2、微波覆铜箔板材料的特性

  毋庸置疑,在目前微波多层板的设计和制造过程中,选用较多的是介电常数为2.94的聚四氟乙烯覆铜箔板材料。由于制造的工艺实现,需依据不同微波板材的各性特性,所以通过以下简介,希望给各位一个初步认识。

  这里着重介绍的是一种陶瓷粉填充、玻璃短纤维增强的聚四氟乙烯(PTFE)微波覆铜箔板材料,通过它的多层化加工,可以实现微波多层印制板的制造。此类材料应用最多的是美国Rogers公司生产的RT / duroid 6002板材,它具有以下显著特点:

  (1)卓越的高频低损耗特性;
  (2)严格的介电常数和厚度控制;
  (3)极佳的电气和机械性能;
  (4)极低的介电常数热系数;
  (5)与铜相匹配的平面膨胀系数;
  (6)低Z轴膨胀;
  (7)低的逸气性,是空间应用的理想材料。

  由于具有上述之种种优点,目前该种微波高频介质材料广泛应用于以下诸方面:

  (1)相列天线;
  (2)地面和机载雷达系统;
  (3)全球定位系统天线;
  (4)大功率底板;
  (5)高可靠性复杂多层线路;
  (6)商业用航空防撞系统;

  此种高频介质板材RT / duroid 6002的主要性能,参见表1。

表1 RT / duroid 6002微波印制板材性能一览

性能

代表值

单位

条件

测试方法

介电常数

2.94±0.04

---

10GHz / 23℃

IPC-TM-650 2.5.5.5

损耗因数

0.0012

---

10GHz / 23℃

IPC-TM-650 2.5.5.5

介电常数热系数

+12

ppm / ℃

10GHz / 1-100℃

IPC-TM-650 2.5.5.5

体积电阻

106

MΩcm

COND A

ASTM D257

表面电阻

107

COND A

ASTM D257

抗张模量

828

MPa

23℃

ASTM D638

压缩模量

2482

MPa


ASTM D638

吸水率

0.1

%

---

IPC-TM-650 2.6.2.1

热传导率

0.60

W/ m /K

80℃

ASTM C518

热膨胀系数(X,Y,Z方向)

16,16,24

ppm / ℃

10K/min

ASTM D3386

密度

2.1

---

gm / cm3

ASTM D792

比热

0.93

---

J / g / K

---

剥离强度

8.9

lbs / in

---

IPC-TM-650 2.4.8

可燃性

94V-0

---

---

UL

 


3、微波印制板多层化制造工艺流程

  微波多层板的制造,按照设计的需求,可以有多种实现途径。鉴于设计具体需求的差异,可采取各自不同的工艺路线。以下列出的是一种典型微波多层板的制造工艺流程:

  (1)光绘模版及内层图形制作:

微波多层板的制造工艺流程 

4、讨论

  由于微波多层板所需用介质材料的特点,给多层板的实现带来了一系列问题。例如,多层板制造用粘结片的选择、多层微波印制板的层压实现方式、以及聚四氟乙烯类微波多层印制板的孔金属化制造前的材料表面活化处理,都将是微波多层印制板工艺所必须加以深入研究的课题。下面,将简单加以介绍。

  4.1 微波印制板多层化制造的粘结片选择

  众所周知,无论何种形式多层板的制造实现技术,基本离不开层压实现所发挥重要作用的粘结片材料。目前,包括美国ROGERS公司、美国ARLON公司和美国TACONIC公司在内,均有针对其不同类型微波介质基板材料,实现多层板制造的半固化片材料提供。除此以外,尚有多家公司提供的半固化片材料,可用于层压制造,现将各公司半固化片情况综合列表如下。

表2半固化片性能一览

半固化片名称

介电常数
(10GHZ)

损耗因数
(10GHZ)

Tg(℃)

公司

RO4403

3.17

0.0050

Rogers

RO4450B

3.54

0.0040

Rogers

25N

3.38

0.0025

Arlon

25FR

3.58

0.0035

Arlon

CuClad6250

2.32

0.0013

Arlon

CuClad6700

2.35

0.0025

Arlon

FV6700

2.35

0.0025

Neltec

TacBond HT1.5

2.35

0.0025

Taconic

Speedboard C

2.60

0.0036

220

Gore

R/Flex3908

2.90

0.0020

280

Rogers

CLTE-P

2.94

0.0025

Arlon

Speedboard N

3.00

140

Gore

RO3001

2.28

0.0030

176

Rogers

TacPreg/ TacBond

3.20

0.0022

Taconic

 

  从上述表2所列粘结片材料来看,微波多层印制电路板的制造将会较为复杂,由于各类型粘结片的特性差异,在选用过程中,会出现这样那样的困难,最终将需一个持续探索和研究的过程。

  4.2 微波印制板多层化制造的层压控制

  由于粘结片选用类型的差异,相应之层压制造工艺,将会有所区别。这里将选用几种粘结片材料来进行说明。

  4.2.1 半固化片25FR层压工艺研究

表3 层压过程温度记录(25FR)

时间(min)

温度(°C)

时间(min)

温度(°C)

时间(min)

温度(°C)

0

24

31

104

62

167

1

25

32

106

63

168

2

25

33

108

64**

170

3

26

34

110

65

172

4

27

35

112

66

173

5

28

36

114

67

175

6

29

37

117

68

177

7

31

38

119

69

178

8

33

39

122

70

180

9

36

40

125

71


10

39

41

127

72


11

42

42

130

73


12

45

43

133

74


13

49

44

135

75


14

54

45

138

76


15

58

46

140

77


16

63

47

142

78


17

66

48

144

79

18

70

49

146

80

19

75

50

147

81

20

79

51

149

82

21

83

52

151

83

22

86

53

152

84

23

89

54

154

85

24

92

55

156

86

25

95

56

157

87

26

97

57

159

88

27

99

58

161

89

28*

100

59

162

90

29

101

60

164

91

30

103

61

165

92

 

  4.2.2 半固化片SpeedBoard C低Tg层压工艺研究
 

表4 层压过程温度记录(SPEEDBOARDC)

时间(min)

温度(°C)

时间(min)

温度(°C)

时间(min)

温度(°C)

0

24

31

120

62

168

1

24

32

123

63

168

2

24

33

126

64

169

3

24

34

129

65

169

4

25

35

131

66

170

5

25

36

134

67*

170

6

27

37

136

68

170

7

28

38

138

69

171

8

29

39

140

70

171

9

32

40

143

71

172

10

34

41

145

72

172

11

37

42

146

73

173

12

40

43

148

74

173

13

43

44

150

75

174

14

47

45

151

76

174

15

51

46

153

77

175

16

56

47

154

78


17

62

48

156

79

18

66

49

157

80

19

71

50

158

81

20

76

51

159

82

21

82

52

160

83

22

88

53

161

84

23

93

54

162

85

24

98

55

163

86

25

101

56

164

87

26

104

57

165

88

27

107

58

165

89

28

110

59

166

90

29

113

60

167

91

30

117

61

167

92

 

 

  4.2.3 半固化片RO4450B层压工艺研究

表5 层压过程温度记录(4450B)

时间(min)

温度(°C)

时间(min)

温度(°C)

时间(min)

温度(°C)

0

19

31

108

62

167

1

19

 

32

110

63

168

2

20

33

111

64

169

3

21

34

113

65

170

4

22

35

115

66

172

5

23

36

118

67

172

6

24

37

121

68

173

7

26

38

124

69

174

8

29

39

126

70

174

9

32

40

129

71

175

10

36

41

131

72

175

11

40

42

134

73


12

45

43

137

74


13

50

44

139

75


14

56

45

141

76


15

60

46

143

77


16

65

47

146

78


17

69

48

148

79

18

73

49

150

80

19

77

50

152

81

20

81

51

154

82

21

85

52

156

83

22

88

53

157

84

23

91

54

159

85

24

94

55

160

86

25

96

56

161

87

26

98

57

162

88

27

101

58

163

89

28

102

59

165

90

29

105

60**

166

91

30*

106

61

167

92

 

 

  4.3 孔金属化制造前材料表面活化问题

  由于聚四氟乙烯材料的憎水性及其表面能很低的特性,其印制板孔金属化不同于常规的印制板,对它进行孔金属化和电镀是很困难的。而金属化孔质量的好坏直接影响多层微波基板的质量。

  众所周知,对于聚四氟乙烯高频多层印制电路板的孔金属化制造,其最大的难点是化学沉铜前的活化前处理,也是最为关键的一步。

  有多种方法可用于化学沉铜前处理,但总结起来,能达到保证产品质量并适合于批生产的,主要有以下两种方法:

  4.3.1 化学处理法

  金属钠和萘,于非水溶剂如四氢呋喃或乙二醇二甲醚等溶液内反应,形成一种萘钠络合物。各组份之配比请参见下表6。
该钠萘处理液,能使孔内之聚四氟乙烯表层原子受到浸蚀,从而达到润湿孔壁的目的。此为经典成功的方法,效果良好,质量稳定。

 表6 钠萘处理液各组份配比示例

药品名称

份额

金属钠

2.3克(0.1摩尔)

12.8克(0.1摩尔)

乙二醇二甲醚

100毫升

 

 

  世事无绝对,凡事都要采取一分为二的态度。对于此种聚四氟乙烯钠萘处理液来说,也有其制备、使用和储存方面不易的一面,简述如下:

  (1)该种聚四氟乙烯钠萘处理液之制备反应,属非水溶剂化反应(类似于有机合成之格氏反应)。对于具备一定化学合成经验的专业技术人员来说,尚不能保证每次合成之成功率。对于不具备此类水平的人员来讲,实现该处理液的配制,较为困难。

  (2)由上可知,制备前对反应瓶的去水之烘干处理很重要。

  (3)上述反应,需在氮气的保护下进行。因此,对反应装置的搭建,需进行一定的考虑,并善于进行总结。

  (4)该反应过程中,会产生一定的热量,而此反应成功之关键之一,是确保反应过程药液温度需低于5℃。可通过冰浴或冰盐浴来保证。

  (5)作为反应主要成份的金属钠,易燃,危险性大。一方面需专人管理,另一方面在反应前需对其进行小块化处理,只有这样,才能确保该种聚四氟乙烯钠萘处理液的成功合成。有时,金属钠来料质量的好坏,直接关系到最终之成败。

  (6)最后,对于钠萘处理液来讲,其毒性大,且保质期较短,应根据生产情况进行配制。不用时,选用棕色细口瓶进行密闭保存。此外,采用该处理液对聚四氟乙烯进行孔壁作用后,可将其及时倒回棕色瓶内,留作下回再次使用。

  4.3.2 等离子体处理法(PLASMA)

  等离子体,是指像紫色光、霓虹灯光一样的光,也有称其为物质的第四相态。等离子体相态是由于原子中激化的电子和分子无序运动的状态,所以具有相当高的能量。

  (1)机理:

  在真空室内部的气体分子里施加能量(如电能),由加速电子的冲撞,使分子、原子的最外层电子被激化,并生成离子,或反应性高的自由基。

  如此产生之离子、自由基被连续的冲撞和受电场作用力而加速,使之与材料表面碰撞,并破坏数微米范围以内的分子键,诱导削减一定厚度,生成凹凸表面,同时形成气体成分的官能团等表面的物理、化学变化,提高镀铜粘结力、除污等作用。

  上述等离子体处理用气体常见的有氧气、氮气和四氟化碳气。下面通过由氧气和四氟化碳气所组成之混合气体,举例说明等离子体处理之机理:

  (2)用途:

  1、凹蚀 / 去孔壁树脂沾污;

  2、提高表面润湿性(聚四氟乙烯表面活化处理);

  3、采用激光钻孔之盲孔内碳的处理;

  4、改变内层表面形态和润湿性,提高层间结合力;

  5、去除抗蚀剂和阻焊膜残留。

  (3)举例:

  A.纯聚四氟乙烯材料的活化处理

  对于纯聚四氟乙烯材料的活化处理,是采用单步活化通孔工艺。所用气体绝大部分是氢气和氮气的组合。

  待处理板无需加热,因为聚四氟乙烯被处理成活性,润湿性有所增加。真空室一旦达到操作压力,启用工作气体和射频电源。

  大多数纯聚四氟乙烯板的处理仅需约20分钟。然而,由于聚四氟乙烯材料的复原性能(回复到不润湿表面状态),化学沉铜之孔金属化处理需在经等离子体处理后的48小时内完成。

  B.含填料聚四氟乙烯材料的活化处理

  对于含填料的聚四氟乙烯材料制造的印制电路板(如不规则的玻璃微纤维、玻璃编织增强和陶瓷填充之聚四氟乙烯复合物),需两步处理。

  第一步,清洁和微蚀填料。该步典型之操作气体为四氟化碳气、氧气和氮气。

  第二步,等同于前述纯聚四氟乙烯材料表面活化处理所采用的一步法工艺。

5、结论

  各类通讯用特种印制板之一的微波印制板,尤其是聚四氟乙烯类微波材料的运用,在原有对印制板之单、双面制造要求的基础上,逐渐向微波多层化电路板制造方向迈进。这种微波多层印制电路板有别于传统意义上的多层印制板,由于其层压制造之特殊性,除了微波多层板粘结材料的选择、微波多层板的层压制造、以及微波多层板的孔金属化前活化处理,必须认真研究对待以外,对层间重合精度、图形制作精度、层间介质层厚度一致性、镀层均匀性及涂覆类型,也提出了更为苛刻的要求。

  进入二十一世纪以来,无论是各类微波多层印制板的设计需求数量,还是制造工艺要求质量,都在迅速发展之中。由于其独特的产品特征,在电子、通信、汽车、军事、计算机等领域中将大显身手,未来的应用会越来越广泛。