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文檔簡(jiǎn)介
1/1微波印制電路板多層化制造研究1、前言
眾所周知,我們將波長(zhǎng)短于300mm或頻率高于1000MHz(1GHz)之電磁波,稱為微波。微波印制板是指在特定的微波基材覆銅板上,利用一般剛性印制板制造方法生產(chǎn)出來的微波基板。
在印制板導(dǎo)線的高速信號(hào)傳輸線中,一類是高頻信號(hào)傳輸類電子產(chǎn)品,這一類產(chǎn)品是與無線電的電磁波有關(guān),它是以正弦波來傳輸信號(hào)的產(chǎn)品,如雷達(dá)、廣播電視和通訊(移動(dòng)電話、微波通信、光纖通信等)。
為了達(dá)到高速傳送,對(duì)微波印制板基板材料在電氣特性上有明確的要求。在提高高速傳送方面,要實(shí)現(xiàn)傳輸信號(hào)的低損耗、低延遲,必需選用介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切小的基板材料。高速傳送的基板材料,一般有陶瓷材料、玻纖布、聚四氟乙烯、其它熱固性樹脂等。在全部的樹脂中,聚四氟乙烯的介電常數(shù)(r)和介質(zhì)耗角正切(tan)最小,而且耐凹凸溫性和耐老化性能好,最適合于作高頻基板材料,是目前采納量最大的微波印制板制造基板材料。
隨著3G通訊的迅猛進(jìn)展,設(shè)計(jì)者對(duì)印制板介質(zhì)材料的選擇,更加簡(jiǎn)單。遙想當(dāng)年,材料的選擇是基于價(jià)格和性能的選擇。通常來講,設(shè)計(jì)師選擇材料時(shí),注意的往往是電性能指標(biāo)、溫度穩(wěn)定性、頻率穩(wěn)定性和熱膨脹系數(shù)指標(biāo)。
反過來,相當(dāng)于微波印制板的制造者來說,更加關(guān)注的是微波材料的可加工特性。在微波印制板的制作過程中,鉆孔、孔金屬化前的活化處理、金屬化孔制作、層壓及表面涂敷處理等工序的加工及過程掌握,將直接制約著最終微波印制板的質(zhì)量及牢靠性。
縱觀微波印制板的加工歷史,經(jīng)受了簡(jiǎn)潔雙面微帶板的制作、雙面耦合微波板的制作、孔金屬化微波印制板的制作,以及目前方興未艾的微波多層印制板的制作。林林總總,全部這些,都是建立在印制板制作工藝技術(shù)不斷提升的基礎(chǔ)之上。
在多層微波印制板的制造方面,同行已把握并實(shí)現(xiàn)了多種型號(hào)雙面微波層壓板基材的微波印制板多層化制造技術(shù)。其中包括微波介質(zhì)基板多層化層壓制造、金屬化孔互連及埋/盲孔制造、多層微波印制板電裝及耐環(huán)境愛護(hù)性阻焊膜制造、多層微波線路表面電鍍鎳金以及多層微波印制基板的三維數(shù)控銑加工等制造技術(shù)。
2、微波覆銅箔板材料的特性
毋庸置疑,在目前微波多層板的設(shè)計(jì)和制造過程中,選用較多的是介電常數(shù)為2.94的聚四氟乙烯覆銅箔板材料。由于制造的工藝實(shí)現(xiàn),需依據(jù)不同微波板材的各性特性,所以通過以下簡(jiǎn)介,盼望給各位一個(gè)初步熟悉。
這里著重介紹的是一種陶瓷粉填充、玻璃短纖維增加的聚四氟乙烯(PTFE)微波覆銅箔板材料,通過它的多層化加工,可以實(shí)現(xiàn)微波多層印制板的制造。此類材料應(yīng)用最多的是Rogers公司生產(chǎn)的RT/duroid6002板材,它具有以下顯著特點(diǎn):
(1)卓越的高頻低損耗特性;
(2)嚴(yán)格的介電常數(shù)和厚度掌握;
(3)極佳的電氣和機(jī)械性能;
(4)極低的介電常數(shù)熱系數(shù);
(5)與銅相匹配的平面膨脹系數(shù);
(6)低Z軸膨脹;
(7)低的逸氣性,是空間應(yīng)用的抱負(fù)材料。
由于具有上述之種種優(yōu)點(diǎn),目前該種微波高頻介質(zhì)材料廣泛應(yīng)用于以下諸方面:
(1)相列天線;
(2)地面和機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng);
(3)全球定位系統(tǒng)天線;
(4)大功率底板;
(5)高牢靠性簡(jiǎn)單多層線路;
(6)商業(yè)用航空防撞系統(tǒng);
此種高頻介質(zhì)板材RT/duroid6002的主要性能,參見表1。
表1RT/duroid6002微波印制板材性能一覽
性能代表值
單位
條件
測(cè)試方法
介電常數(shù)
2.940.04
10GHz/23℃
IPC-TM-6502.5.5.5
損耗因數(shù)
0.0012
10GHz/23℃
IPC-TM-6502.5.5.5
介電常數(shù)熱系數(shù)
+12
ppm/℃
10GHz/1-100℃
IPC-TM-6502.5.5.5
體積電阻
106
Mcm
CONDA
ASTMD257
表面電阻
107
M
CONDA
ASTMD257
抗張模量
828
MPa
23℃
ASTMD638
壓縮模量
2482
MPa
ASTMD638
吸水率
0.1
%
IPC-TM-6502.6.2.1
熱傳導(dǎo)率
0.60
W/m/K
80℃
ASTMC518
熱膨脹系數(shù)(X,Y,Z方向)
16,16,24
ppm/℃
10K/min
ASTMD3386
密度
2.1
gm/cm3
ASTMD792
比熱
0.93
J/g/K
剝離強(qiáng)度
8.9
lbs/in
IPC-TM-6502.4.8
可燃性
94V-0
UL
3、微波印制板多層化制造工藝流程
微波多層板的制造,根據(jù)設(shè)計(jì)的需求,可以有多種實(shí)現(xiàn)途徑。鑒于設(shè)計(jì)詳細(xì)需求的差異,可實(shí)行各自不同的工藝路線。以下列出的是一種典型微波多層板的制造工藝流程:
(1)光繪模版及內(nèi)層圖形制作:
(2)層壓制作及表面涂覆:
4、爭(zhēng)論
由于微波多層板所需用介質(zhì)材料的特點(diǎn),給多層板的實(shí)現(xiàn)帶來了一系列問題。例如,多層板制造用粘結(jié)片的選擇、多層微波印制板的層壓實(shí)現(xiàn)方式、以及聚四氟乙烯類微波多層印制板的孔金屬化制造前的材料表面活化處理,都將是微波多層印制板工藝所必需加以深化討論的課題。下面,將簡(jiǎn)潔加以介紹。
4.1微波印制板多層化制造的粘結(jié)片選擇
眾所周知,無論何種形式多層板的制造實(shí)現(xiàn)技術(shù),基本離不開層壓實(shí)現(xiàn)所發(fā)揮重要作用的粘結(jié)片材料。目前,包括ROGERS公司、ARLON公司和TACONIC公司在內(nèi),均有針對(duì)其不同類型微波介質(zhì)基板材料,實(shí)現(xiàn)多層板制造的半固化片材料供應(yīng)。除此以外,尚有多家公司供應(yīng)的半固化片材料,可用于層壓制造,現(xiàn)將各公司半固化片狀況綜合列表如下。
表2半固化片性能一覽
半固化片名稱介電常數(shù)
(10GHZ)
損耗因數(shù)
(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
TacBondHT1.5
2.35
0.0025
Taconic
SpeedboardC
2.60
0.0036
220
Gore
R/Flex3908
2.90
0.0020
280
Rogers
CLTE-P
2.94
0.0025
Arlon
SpeedboardN
3.00
140
Gore
RO3001
2.28
0.0030
176
Rogers
TacPreg/TacBond
3.20
0.0022
Taconic
從上述表2所列粘結(jié)片材料來看,微波多層印制電路板的制造將會(huì)較為簡(jiǎn)單,由于各類型粘結(jié)片的特性差異,在選用過程中,會(huì)消失這樣那樣的困難,最終將需一個(gè)持續(xù)探究和討論的過程。
4.2微波印制板多層化制造的層壓掌握
由于粘結(jié)片選用類型的差異,相應(yīng)之層壓制造工藝,將會(huì)有所區(qū)分。這里將選用幾種粘結(jié)片材料來進(jìn)行說明。
4.2.1半固化片25FR層壓工藝討論
表3層壓過程溫度記錄(25FR)
時(shí)間(min)溫度(C)
時(shí)間(min)
溫度(C)
時(shí)間(min)
溫度(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SpeedBoardC低Tg層壓工藝討論
表4層壓過程溫度記錄(SPEEDBOARDC)
時(shí)間(min)溫度(C)
時(shí)間(min)
溫度(C)
時(shí)間(min)
溫度(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層壓工藝討論
表5層壓過程溫度記錄(4450B)
時(shí)間(min)溫度(C)
時(shí)間(min)
溫度(C)
時(shí)間(min)
溫度(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孔金屬化制造前材料表面活化問題
由于聚四氟乙烯材料的憎水性及其表面能很低的特性,其印制板孔金屬化不同于常規(guī)的印制板,對(duì)它進(jìn)行孔金屬化和電鍍是很困難的。而金屬化孔質(zhì)量的好壞直接影響多層微波基板的質(zhì)量。
眾所周知,對(duì)于聚四氟乙烯高頻多層印制電路板的孔金屬化制造,其最大的難點(diǎn)是化學(xué)沉銅前的活化前處理,也是最為關(guān)鍵的一步。
有多種方法可用于化學(xué)沉銅前處理,但總結(jié)起來,能達(dá)到保證產(chǎn)品質(zhì)量并適合于批生產(chǎn)的,主要有以下兩種方法:
4.3.1化學(xué)處理法
金屬鈉和萘,于非水溶劑如四氫呋喃或乙二醇二甲醚等溶液內(nèi)反應(yīng),形成一種萘鈉絡(luò)合物。各組份之配比請(qǐng)參見下表6。
該鈉萘處理液,能使孔內(nèi)之聚四氟乙烯表層原子受到浸蝕,從而達(dá)到潤(rùn)濕孔壁的目的。此為經(jīng)典勝利的方法,效果良好,質(zhì)量穩(wěn)定。
表6鈉萘處理液各組份配比示例
藥品名稱份額
金屬鈉
2.3克(0.1摩爾)
萘
12.8克(0.1摩爾)
乙二醇二甲醚
100毫升
世事無肯定,凡事都要實(shí)行一分為二的態(tài)度。對(duì)于此種聚四氟乙烯鈉萘處理液來說,也有其制備、使用和儲(chǔ)存方面不易的一面,簡(jiǎn)述如下:
(1)該種聚四氟乙烯鈉萘處理液之制備反應(yīng),屬非水溶劑化反應(yīng)(類似于有機(jī)合成之格氏反應(yīng))。對(duì)于具備肯定化學(xué)合成閱歷的專業(yè)技術(shù)人員來說,尚不能保證每次合成之勝利率。對(duì)于不具備此類水平的人員來講,實(shí)現(xiàn)該處理液的配制,較為困難。
(2)由上可知,制備前對(duì)反應(yīng)瓶的去水之烘干處理很重要。
(3)上述反應(yīng),需在氮?dú)獾膼圩o(hù)下進(jìn)行。因此,對(duì)反應(yīng)裝置的搭建,需進(jìn)行肯定的考慮,并擅長(zhǎng)進(jìn)行總結(jié)。
(4)該反應(yīng)過程中,會(huì)產(chǎn)生肯定的熱量,而此反應(yīng)勝利之關(guān)鍵之一,是確保反應(yīng)過程藥液溫度需低于5℃??赏ㄟ^冰浴或冰鹽浴來保證。
(5)作為反應(yīng)主要成份的金屬鈉,易燃,危急性大。一方面需專人管理,另一方面在反應(yīng)前需對(duì)其進(jìn)行小塊化處理,只有這樣,才能確保該種聚四氟乙烯鈉萘處理液的勝利合成。有時(shí),金屬鈉來料質(zhì)量的好壞,直接關(guān)系到最終之成敗。
(6)最終,對(duì)于鈉萘處理液來講,其毒性大,且保質(zhì)期較短,應(yīng)依據(jù)生產(chǎn)狀況進(jìn)行配制。不用時(shí),選用棕色細(xì)口瓶進(jìn)行密閉保存。此外,采納該處理液對(duì)聚四氟乙烯進(jìn)行孔壁作用后,可將其準(zhǔn)時(shí)倒回棕色瓶?jī)?nèi),留作下回再次使用。
4.3.2等離子體處理法(PLASMA)
等離子體,是指像紫色光、霓虹燈光一樣的光,也有稱其為物質(zhì)的第四相態(tài)。等離子體相態(tài)是由于原子中激化的電子和分子無序運(yùn)動(dòng)的狀態(tài),所以具有相當(dāng)高的能量。
(1)機(jī)理:
在真空室內(nèi)部的氣體分子里施加能量(如電能),由加速電子的沖撞,使分子、原子的最外層電子被激化,并生成離子,或反應(yīng)性高的自由基。
如此產(chǎn)生之離子、自由基被連續(xù)的沖撞和受電場(chǎng)作用力而加速,使之與材料表面碰撞,并破壞數(shù)微米范圍以內(nèi)的分子鍵,誘導(dǎo)削減肯定厚度,生成凹凸表面,同時(shí)形成氣體成分的官能團(tuán)等表面的物理、化學(xué)變化,提高鍍銅粘結(jié)力、除污等作用。
上述等離子體處理用氣體常見的有氧氣、氮?dú)夂退姆細(xì)?。下面通過由氧氣和四氟化碳?xì)馑M成之混合氣體,舉例說明等離子體處理之機(jī)理:
(2)用途:
1、凹蝕/去孔壁樹脂沾污;
2、提高表面潤(rùn)濕性(聚四氟乙烯表面活化處理);
3、采納激光鉆孔之盲孔內(nèi)碳的處理;
4、轉(zhuǎn)變內(nèi)層表面形態(tài)和潤(rùn)濕性,提高層間結(jié)合力;
5、去除抗蝕劑和阻焊膜殘留。
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