高頻微波印制電路板的制造

1、前言

    微波電路板（高頻板），是指在特定的微波基材覆銅板上，利用普通剛性印制線路板制造方法生產(chǎn)出來的微波器件。

    在印制線路板導線的高速信號傳輸線中，目前可分為兩大類：一類是高頻信號傳輸類電子產(chǎn)品，這一類產(chǎn)品是與無線電的電磁波有關，它是以正弦波來傳輸信號的產(chǎn)品，如雷達、廣播電視和通訊（移動電話、微波通訊、光纖通訊等）；另一類是高速邏輯信號傳輸類的電子產(chǎn)品，這一類產(chǎn)品是以數(shù)字信號傳輸?shù)?，同樣也與電磁波的方波傳輸有關，這一類產(chǎn)品開始主要在電腦，計算機等應用，現(xiàn)在已迅速推廣應用到家電和通訊的電子產(chǎn)品上了。

    為了達到高速傳送，對微波電路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，要實現(xiàn)傳輸信號的低損耗、低延遲，必須選用介電常數(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。

    在所有的樹脂中，聚四氟乙烯的介電常數(shù)（εr）和介質(zhì)耗角正切（tanδ）最小，而且耐高低溫性和耐老化性能好，最適合于作高頻基板材料，是目前采用量最大的微波電路板制造基板材料。

    本文針對微波電路板（高頻板）制造的特點，就微波印制板的選材、結構設計及制造工藝等方面進行了較為全面的探討。

    2、微波電路板制造的特點

    微波電路板（高頻板）制造的特點，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

    2.1、基材多樣化：

    長期以來，國內(nèi)應用最多的是國產(chǎn)玻璃布增強聚四氟乙烯覆銅板。但由于它的品種單一，介電性能均勻性較差，已越來越不適應一些高性能要求的場合。進入九十年代后，美國Rogers公司生產(chǎn)的RT/Duroid系列和TMM系列微波基材板逐步得到應用，主要有玻璃纖維增強聚四氟乙烯覆銅板、陶瓷粉填充聚四氟乙烯覆銅板和陶瓷粉填充熱固性樹脂覆銅板，雖然價格昂貴，但它優(yōu)異的介電性能和機械性能仍較國產(chǎn)微波印制板基材擁有相當大的優(yōu)勢。目前這類微波基材，特別是帶鋁襯底的基材正得到大量應用。

    2.2、計算機控制化：

    傳統(tǒng)的微波電路板（高頻板）生產(chǎn)中極少應用到計算機技術，但隨著CAD技術在設計中的廣泛應用，以及微波電路板（高頻板）的高精度、大批量，在微波線路板（高頻板）制造中大量應用計算機技術已成為必然的選擇。高精度的微波電路板（高頻板）模版設計制造，外形的數(shù)控加工，以及高精度微波電路板的批生產(chǎn)檢驗，已經(jīng)離不開計算機技術。因此，需將微波電路板的CAD與CAM、CAT連接起來，通過對CAD設計的數(shù)據(jù)處理和工藝干預，生成相應的數(shù)控加工文件和數(shù)控檢測文件，用于微波電路板生產(chǎn)的工序控制、工序檢驗和成品檢驗。

    2.3、設計要求高精度化：

    微波電路板（高頻板）的圖形制造精度將會逐步提高，但受印制線路板制造工藝方法本身的限制，這種精度提高不可能是無限制的，到一定程度后會進入穩(wěn)定階段。而微波電路板（高頻板）的設計內(nèi)容將會有很大地豐富。從種類上看，將不僅會有單面板、雙面板，還會有微波多層線路板。對微波電路板的接地，會提出更高要求，如普遍解決聚四氟乙烯基板的孔金屬化，解決帶鋁襯底微波板的接地。鍍覆要求進一步多樣化，將特別強調(diào)鋁襯底的保護及鍍覆。另外對微波板的整體三防保護也將提出更高要求，特別是（PTFE）聚四氟乙烯基板的三防保護問題。

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    2.4、高精度圖形制造專業(yè)化：

    微波電路板（高頻板）的高精度圖形制造，與傳統(tǒng)的剛性線路板相比，向著更為專業(yè)化的方向發(fā)展，包括高精度模版制造、高精度圖形轉(zhuǎn)移、高精度圖形蝕刻等相關工序的生產(chǎn)及過程控制技術，還包含合理的制造工藝路線安排。針對不同的設計要求，如孔金屬化與否、表面鍍覆種類等制訂合理的制造工藝方法，經(jīng)過大量的工藝實驗，優(yōu)化各相關工序的工藝參數(shù)，并確定各工序的工藝余量。

    2.5、外形加工數(shù)控化：

    微波電路板（高頻板）的外形加工，特別是帶鋁襯板的微波電路板（高頻板）的三維外形加工，是微波電路板批生產(chǎn)需要重點解決的一項技術。面對成千上萬件的帶有鋁襯板的微波電路板，用傳統(tǒng)的外形加工方法既不能保證制造精度和一致性，更無法保證生產(chǎn)周期，而必須采用先進的計算機控制數(shù)控加工技術。但帶鋁襯板微波電路板的外形加工技術既不同于金屬材料加工，也不同于非金屬材料加工。由于金屬材料和非金屬材料共同存在，它的加工刀具、加工參數(shù)等以及加工機床都具有極大的特殊性，也有大量的技術問題需要解決。外形加工工序是微波電路板制造過程中周期最長的一道工序，因而外形加工技術解決的好壞直接關系到整個微波電路板的加工周期長短，并影響到產(chǎn)品的研制或生產(chǎn)周期。

    2.6、表面鍍覆多樣化：

    隨著微波電路板（高頻板）應用范圍的擴大，其使用的環(huán)境條件也復雜化，同時由于大量應用鋁襯底基材，因而對微波電路板（高頻板）的表面鍍覆及保護，在原有化學沉銀及鍍錫鈰合金的基礎上，提出了更高的要求。一是微帶圖形表面的鍍覆及防護，需滿足微波器件的焊接要求，采用電鍍鎳金的工藝技術，保證在惡劣環(huán)境下微帶圖形不被損壞。這其中除微帶圖形表面的可焊性鍍層外，最主要的是應解決既可有效防護又不影響微波性能的三防保護技術。二是鋁襯板的防護及鍍覆技術。鋁襯板如不加防護，暴露在潮濕、鹽霧環(huán)境中很快就會被腐蝕，因而隨著鋁襯板被大量應用，其防護技術應引起足夠重視。另外要研究解決鋁板的電鍍技術，在鋁襯板表面電鍍銀、錫等金屬用于微波器件焊接或其它特殊用途的需求在逐步增多，這不僅涉及鋁板的電鍍技術，同時還存在微帶圖形的保護問題。

    2.7、批生產(chǎn)檢驗設備化：

    微波電路板（高頻板）與普通的單雙面板和多層板不同，不僅起著結構件、連接件的作用，更重要的是作為信號傳輸線的作用。這就是說，對高頻信號和高速數(shù)字信號的傳輸用微波印制板的電氣測試，不僅要測量線路（或網(wǎng)絡）的"通""斷"和"短路"等是否符合要求，而且還應測量特性阻抗值是否在規(guī)定的合格范圍內(nèi)。

    此外，高精度微波電路板（高頻板）有大量的數(shù)據(jù)需要檢驗，如圖形精度、位置精度、重合精度、鍍覆層厚度、外形三維尺寸精度等。目前國內(nèi)的微波電路板批生產(chǎn)檢驗技術非常落后，現(xiàn)行方法基本是以人工目視檢驗為主，輔以一些簡單的測量工具。這種原始而簡單的檢驗方法很難應對大量擁有成百上千數(shù)據(jù)的微波印制板批生產(chǎn)要求，不僅檢驗周期長，而且錯漏現(xiàn)象多，因而迫使微波電路板制造向著批生產(chǎn)檢驗設備化的方向發(fā)展。

    3、微波電路板（高頻板）的選材

    微波電路板（高頻板）基材的選用首先應該考慮其介電性能，但同時也必須考慮其表面銅箔種類及厚度、環(huán)境適應性、可加工性等因素，當然還有成本問題。

    3.1、銅箔種類及厚度選擇

    目前最常用的銅箔厚度有35μm和18μm兩種。銅箔越薄，越易獲得高的圖形精密度，所以高精密度的微波圖形應選用不大于18μm的銅箔。如果選用35μm的銅箔，則過高的圖形精度使工藝性變差，不合格品率必然增加。

    研究表明，銅箔類型對圖形精度亦有影響。目前的銅箔類型有壓延銅箔和電解銅箔兩類。壓延銅箔較電解銅箔更適合于制造高精密圖形，所以在材料訂貨時，可以考慮選擇壓延銅箔的基材板。

    3.2、環(huán)境適應性選擇

    現(xiàn)有的微波基材，對于標準要求的－55℃～＋125℃環(huán)境溫度范圍都沒有問題。但還應考慮兩點，一是孔化與否對基材選擇的影響，對于要求通孔金屬化的微波電路板，基材Z軸熱膨脹系數(shù)越大，意味著在高低溫沖擊下，金屬化孔斷裂的可能性越大，因而在滿足介電性能的前提下，應盡可能選擇Z軸熱膨脹系數(shù)小的基材（參見表一至表四）；二是濕度對基材板選擇的影響，基材樹脂本身吸水性很小，但加入增強材料后，其整體的吸水性增大，在高濕環(huán)境下使用時會對介電性能產(chǎn)生影響，因而選材時應選擇吸水性小的基材（參見表一至表四），或采取結構工藝上的措施進行保護。

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    3.3、可加工性選擇

    隨著設計要求的不斷提升，一些微波印制板基材帶有鋁襯板。此類帶有鋁襯基材的出現(xiàn)給制造加工帶來了額外的壓力，圖形制作過程復雜化，外形加工復雜化，生產(chǎn)周期加長，因而在可用可不用的情況下，盡量不采用帶鋁襯板的基材。

    作為ROGERS公司的TMM系列微波電路板基材，是由陶瓷粉填充的熱固性樹脂所構成。其中，TMM10基材中填充的陶瓷粉較多，性能較脆，給圖形制造和外形加工過程帶來很大難度，容易缺損或形成內(nèi)在裂紋，成品率相對較低。目前對TMM10板材外形加工是采用激光切割的方法，成本高，效率低，生產(chǎn)周期長。所以，在可能的情況下，可考慮優(yōu)先選擇ROGERS公司符合相應介電性能要求之RT/Duroid系列基材板。

    4、結構設計

    由于微波電路板（高頻板）的外形越來越復雜，而且尺寸精度要求高，同品種的生產(chǎn)數(shù)量很大，必須要應用數(shù)控銑加工技術。因而在進行微波電路板設計時應充分考慮到數(shù)控加工的特點，所有加工處的內(nèi)角都應設計成為圓角，以便于一次加工成形。如果確實需要有直角，也可設計成如圖一中b的形式，同樣便于加工。

    微波電路板（高頻板）的結構設計也不應追求過高的精度，因為非金屬材料的尺寸變形傾向較大，不能以金屬零件的加工精度來要求微波電路板。外形的高精度要求，在很大程度上可能是因為顧及當微帶線與外形相接的情況下，外形偏差會影響微帶線長度，從而影響微波性能。實際上，參照國外的規(guī)范設計，微帶線端距板邊應保留0.2mm的空隙，這樣即可避免外形加工偏差的影響。

    5、微波電路板（高頻板）制造工藝

    微波電路板（高頻板）與普通的單雙面板和多層板不同，不僅起著結構件、連接件的作用，更重要的是作為信號傳輸線的作用。

    微波電路板（高頻板）的制造由于受微波印制板制造層數(shù)、微波電路板（高頻板）原材料的特性、金屬化孔制造需求、最終表面涂覆方式、線路設計特點、制造線路精度要求、制造設備及****先進性等諸方面因素的制約，其制造工藝流程將根據(jù)具體要求作相應的調(diào)整。如圖形電鍍鎳金工藝流程被細分為圖形電鍍鎳金的陽版工藝流程和圖形電鍍鎳金的陰版工藝流程。

    因此，針對不同微波印制板種類及加工需求，所采用之制造工藝流程也各不相同，現(xiàn)簡述如下：

    5.1、無金屬化孔之雙面微波印制板制造：

    ①圖形表面為沉銀/鍍錫鈰合金（略）

    ②圖形表面為電鍍鎳金（陽版工藝流程）（略）

    ③圖形表面為電鍍鎳金（陰版工藝流程）（略）

    5.2、有金屬化孔之雙面微波印制板制造：

    ①圖形表面為沉銀/鍍錫鈰合金（略）

    ②圖形表面為電鍍鎳金（陽版工藝流程）（略）

    5.3、多層微波電路板制造：（略）

    5.4、工藝說明

    ①線路圖形互連時，可選用圖形電鍍鎳金的陰版工藝流程；

    ②當線路制造精度要求為±0.02mm以內(nèi)時，各流程之相應處，須采用濕膜制板工藝方法；

    ③當線路制造精度要求為±0.03mm以上時，各流程之相應處，可采用干膜（或濕膜）制板工藝方法；

    ④ROGERS公司牌號為RT/duroid6010基材的微波板，由于蝕刻后之圖形電鍍時，會出現(xiàn)線條邊緣"長毛"現(xiàn)象，導致產(chǎn)品報廢，須采用圖形電鍍鎳金的陽版工藝流程；

    ⑤為提高微波電路板的制造合格率，盡量采用圖形電鍍鎳金的陰版工藝流程。因為，采用圖形電鍍鎳金的陽版工藝流程，若操作控制不當，會出現(xiàn)滲鍍鎳金的質(zhì)量問題；

    ⑥對于四氟介質(zhì)微波板，如ROGERS公司RT/duroid5880、RT/duroid5870、ULTRALAM2000、RT/duroid6010等，在進行孔金屬化制造時，可采用鈉萘溶液或等離子進行處理。而TMM10、TMM10i和RO4003、RO4350等則無需進行活化前處理。

    6、結論

    微波電路板（高頻板）的制造正向著FR-4普通剛性印制板的加工方向發(fā)展，越來越多的剛性印制線路板制造工藝和技術運用到微波電路板的加工上來。具體表現(xiàn)在微波電路板制造的多層化、線路制造精度的細微化、數(shù)控加工的三維化和表面涂覆的多樣化。

    此外，隨著微波電路板（高頻板）基材種類的進一步增多、設計要求的不斷提升，要求我們進一步優(yōu)化現(xiàn)有微波印制板制造工藝，與時俱進，以滿足不斷增長的微波電路板制造要求。