高频微波印制板制造技术探讨

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1、前言
        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器件。
         
        在印制板导线的高速信号传输线中，目前可分为两大类：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、微波通讯、光纤通讯等）；另一类是高速逻辑信号传输类的电子产品，这一类产品是以数字信号传输的，同样也与电磁波的方波 传输有关，这一类产品开始主要在电脑，计算机等应用，现在已迅速推广应用到家电和通讯的电子产品上了。
         
        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。
         
        本文针对微波印制板制造的特点，就微波印制板的选材、结构设计及制造工艺等方面进行了较为全面的探讨。
         
        2、微波印制板制造的特点
        微波印制板制造的特点，主要表现在以下几方面：
         
        2.1、基材多样化：
        长期以来，国内应用最多的是国产玻璃布增强聚四氟乙烯覆铜板。但由于它的品种单一，介电性能均匀性较差，已越来越不适应一些高性能要求的场合。进入九十年代 后，美国Rogers公司生产的RT/Duroid系列和TMM系列微波基材板逐步得到应用，主要有玻璃纤维增强聚四氟乙烯覆铜板、陶瓷粉填充聚四氟乙烯 覆铜板和陶瓷粉填充热固性树脂覆铜板，虽然价格昂贵，但它优异的介电性能和机械性能仍较国产微波印制板基材拥有相当大的优势。目前这类微波基材，特别是带 铝衬底的基材正得到大量应用。
         
        2.2、设计要求高精度化：
        微波印制板的图形制造精度将会逐步提高，但受印制板制造工艺方法本 身的限制，这种精度提高不可能是无限制的，到一定程度后会进入稳定阶段。而微波板的设计内容将会有很大地丰富。从种类上看，将不仅会有单面板、双面板，还 会有微波多层板。对微波板的接地，会提出更高要求，如普遍解决聚四氟乙烯基板的孔金属化，解决带铝衬底微波板的接地。镀覆要求进一步多样化，将特别强调铝 衬底的保护及镀覆。另外对微波板的整体三防保护也将提出更高要求，特别是聚四氟乙烯基板的三防保护问题。
         
        2.3、计算机控制化：
        传 统的微波印制板生产中极少应用到计算机技术，但随着CAD技术在设计中的广泛应用，以及微波印制板的高精度、大批量，在微波印制板制造中大量应用计算机技 术已成为必然的选择。高精度的微波印制板模版设计制造，外形的数控加工，以及高精度微波印制板的批生产检验，已经离不开计算机技术。因此，需将微波印制板 的CAD与CAM、CAT连接起来，通过对CAD设计的数据处理和工艺干预，生成相应的数控加工文件和数控检测文件，用于微波印制板生产的工序控制、工序 检验和成品检验。
         
        2.4、高精度图形制造专业化：
        微波印制板的高精度图形制造，与传统的刚性印制板相比，向着更为专业化的方 向发展，包括高精度模版制造、高精度图形转移、高精度图形蚀刻等相关工序的生产及过程控制技术，还包含合理的制造工艺路线安排。针对不同的设计要求，如孔 金属化与否、表面镀覆种类等制订合理的制造工艺方法，经过大量的工艺实验，优化各相关工序的工艺参数，并确定各工序的工艺余量。
         
        2.5、表面镀覆多样化：
        随 着微波印制板应用范围的扩大，其使用的环境条件也复杂化，同时由于大量应用铝衬底基材，因而对微波印制板的表面镀覆及保护，在原有化学沉银及镀锡铈合金的 基础上，提出了更高的要求。一是微带图形表面的镀覆及防护，需满足微波器件的焊接要求，采用电镀镍金的工艺技术，保证在恶劣环境下微带图形不被损坏。这其 中除微带图形表面的可焊性镀层外，最主要的是应解决既可有效防护又不影响微波性能的三防保护技术。二是铝衬板的防护及镀覆技术。铝衬板如不加防护，暴露在 潮湿、盐雾环境中很快就会被腐蚀，因而随着铝衬板被大量应用，其防护技术应引起足够重视。另外要研究解决铝板的电镀技术，在铝衬板表面电镀银、锡等金属用 于微波器件焊接或其它特殊用途的需求在逐步增多，这不仅涉及铝板的电镀技术，同时还存在微带图形的保护问题。
         
        2.6、外形加工数控化：
        微 波印制板的外形加工，特别是带铝衬板的微波印制板的三维外形加工，是微波印制板批生产需要重点解决的一项技术。面对成千上万件的带有铝衬板的微波印制板， 用传统的外形加工方法既不能保证制造精度和一致性，更无法保证生产周期，而必须采用先进的计算机控制数控加工技术。但带铝衬板微波印制板的外形加工技术既 不同于金属材料加工，也不同于非金属材料加工。由于金属材料和非金属材料共同存在，它的加工刀具、加工参数等以及加工机床都具有极大的特殊性，也有大量的 技术问题需要解决。外形加工工序是微波印制板制造过程中周期最长的一道工序，因而外形加工技术解决的好坏直接关系到整个微波印制板的加工周期长短，并影响 到产品的研制或生产周期。
         
        2.7、批生产检验设备化：
        微波印制板与普通的单双面板和多层板不同，不仅起着结构件、连接件的作 用，更重要的是作为信号传输线的作用。这就是说，对高频信号和高速数字信号的传输用微波印制板的电气测试，不仅要测量线路（或网络）的"通""断"和"短 路"等是否符合要求，而且还应测量特性阻抗值是否在规定的合格范围内。
         
        此外，高精度微波印制板有大量的数据需要检验，如图形精度、位置精 度、重合精度、镀覆层厚度、外形三维尺寸精度等。目前国内的微波印制板批生产检验技术非常落后，现行方法基本是以人工目视检验为主，辅以一些简单的测量工 具。这种原始而简单的检验方法很难应对大量拥有成百上千数据的微波印制板批生产要求，不仅检验周期长，而且错漏现象多，因而迫使微波印制板制造向着批生产 检验设备化的方向发展。
         
        3、微波印制板的选材
        微波印制板基材的选用首先应该考虑其介电性能，但同时也必须考虑其表面铜箔种类及厚度、环境适应性、可加工性等因素，当然还有成本问题。
         
        3.1、铜箔种类及厚度选择
        目前最常用的铜箔厚度有35μm和18μm两种。铜箔越薄，越易获得高的图形精密度，所以高精密度的微波图形应选用不大于18μm的铜箔。如果选用35μm的铜箔，则过高的图形精度使工艺性变差，不合格品率必然增加。
        研究表明，铜箔类型对图形精度亦有影响。目前的铜箔类型有压延铜箔和电解铜箔两类。压延铜箔较电解铜箔更适合于制造高精密图形，所以在材料订货时，可以考虑选择压延铜箔的基材板。
         
        3.2、环境适应性选择
        现 有的微波基材，对于标准要求的－55℃～＋125℃环境温度范围都没有问题。但还应考虑两点，一是孔化与否对基材选择的影响，对于要求通孔金属化的微波 板，基材Z轴热膨胀系数越大，意味着在高低温冲击下，金属化孔断裂的可能性越大，因而在满足介电性能的前提下，应尽可能选择Z轴热膨胀系数小的基材（参见 表一至表四）；二是湿度对基材板选择的影响，基材树脂本身吸水性很小，但加入增强材料后，其整体的吸水性增大，在高湿环境下使用时会对介电性能产生影响， 因而选材时应选择吸水性小的基材（参见表一至表四），或采取结构工艺上的措施进行保护。
         
        3.3、可加工性选择
        随着设计要求的不断提升，一些微波印制板基材带有铝衬板。此类带有铝衬基材的出现给制造加工带来了额外的压力，图形制作过程复杂化，外形加工复杂化，生产周期加长，因而在可用可不用的情况下，尽量不采用带铝衬板的基材。
         
        作为ROGERS公司的TMM系列微波印制板基材，是由陶瓷粉填充的热固性树脂所构成。其中，TMM10基材中填充的陶瓷粉较多，性能较脆，给图形制造和外 形加工过程带来很大难度，容易缺损或形成内在裂纹，成品率相对较低。目前对TMM10板材外形加工是采用激光切割的方法，成本高，效率低，生产周期长。所 以，在可能的情况下，可考虑优先选择ROGERS公司符合相应介电性能要求之RT/Duroid系列基材板。
         
        4、结构设计
        由 于微波板的外形越来越复杂，而且尺寸精度要求高，同品种的生产数量很大，必须要应用数控铣加工技术。因而在进行微波板设计时应充分考虑到数控加工的特点， 所有加工处的内角都应设计成为圆角，以便于一次加工成形。如果确实需要有直角，也可设计成如图一中b的形式，同样便于加工。
         
        微波板的结构设 计也不应追求过高的精度，因为非金属材料的尺寸变形倾向较大，不能以金属零件的加工精度来要求微波板。外形的高精度要求，在很大程度上可能是因为顾及当微 带线与外形相接的情况下，外形偏差会影响微带线长度，从而影响微波性能。实际上，参照国外的规范设计，微带线端距板边应保留0.2mm的空隙，这样即可避 免外形加工偏差的影响。
         
        5、微波印制板制造工艺
        微波印制板与普通的单双面板和多层板不同，不仅起着结构件、连接件的作用，更重要的是作为信号传输线的作用。
         
        微 波印制板的制造由于受微波印制板制造层数、微波印制板原材料的特性、金属化孔制造需求、最终表面涂覆方式、线路设计特点、制造线路精度要求、制造设备及药 水先进性等诸方面因素的制约，其制造工艺流程将根据具体要求作相应的调整。如图形电镀镍金工艺流程被细分为图形电镀镍金的阳版工艺流程和图形电镀镍金的阴 版工艺流程。
         
        因此，针对不同微波印制板种类及加工需求，所采用之制造工艺流程也各不相同，现简述如下：
        5.1、无金属化孔之双面微波印制板制造：
        （1）图形表面为沉银/ 镀锡铈合金（略）
        （2）图形表面为电镀镍金（阳版工艺流程）（略）
        （3）图形表面为电镀镍金（阴版工艺流程）（略）
        5.2、有金属化孔之双面微波印制板制造：
        （1）图形表面为沉银/ 镀锡铈合金（略）
        （2）图形表面为电镀镍金（阳版工艺流程）（略）
        5.3、多层微波印制板制造：（略）
         
        5.4、工艺说明
        （1）线路图形互连时，可选用图形电镀镍金的阴版工艺流程；
        （2）为提高微波印制板的制造合格率，尽量采用图形电镀镍金的阴版工艺流程。因为，采用图形电镀镍金的阳版工艺流程，若操作控制不当，会出现渗镀镍金的质量问题；
        （3）ROGERS公司牌号为RT/duroid 6010基材的微波板，由于蚀刻后之图形电镀时，会出现线条边缘"长毛"现象，导致产品报废，须采用图形电镀镍金的阳版工艺流程；
        （4）当线路制造精度要求为±0.02mm以内时，各流程之相应处，须采用湿膜制板工艺方法；
        （5）当线路制造精度要求为±0.03mm以上时，各流程之相应处，可采用干膜（或湿膜）制板工艺方法；
        （6） 对于四氟介质微波板，如ROGERS 公司RT/duroid 5880、RT/duroid 5870、ULTRALAM2000、RT/duroid 6010等，在进行孔金属化制造时，可采用钠萘溶液或等离子进行处理。而TMM10、TMM10i和RO4003、RO4350等则无需进行活化前处理。
         
        6、结论
        微波印制板的制造正向着FR-4普通刚性印制板的加工方向发展，越来越多的刚性印制板制造工艺和技术运用到微波印制板的加工上来。具体表现在微波印制板制造的多层化、线路制造精度的细微化、数控加工的三维化和表面涂覆的多样化。
        此外，随着微波印制板基材种类的进一步增多、设计要求的不断提升，要求我们进一步优化现有微波印制板制造工艺，与时俱进，以满足不断增长的微波印制板制造要求。