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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

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156

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157

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24

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160

86

25

96

56

161

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26

98

57

162

88

27

101

58

163

89

28

102

59

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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)

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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