微波印制板多層化制造工藝流程

1、前言

眾所周知，我們將波長(cháng)短于300mm或頻率高于1000MHz（1GHz）之電磁波，稱(chēng)為微波。微波印制板是指在特定的微波基材覆銅板上，利用普通剛性印制板制造方法生產(chǎn)出來(lái)的微波基板。

在印制板導線(xiàn)的高速信號傳輸線(xiàn)中，一類(lèi)是高頻信號傳輸類(lèi)電子產(chǎn)品，這一類(lèi)產(chǎn)品是與無(wú)線(xiàn)電的電磁波有關(guān)，它是以正弦波來(lái)傳輸信號的產(chǎn)品，如雷達、廣播電視和通訊（移動(dòng)電話(huà)、微波通信、光纖通信等）。

為了達到高速傳送，對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)現傳輸信號的低損耗、低延遲，必須選用介電常數和介質(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(shù)脂等。在所有的樹(shù)脂中，聚四氟乙烯的介電常數（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印制板制造基板材料。

隨著(zhù)3G通訊的迅猛發(fā)展，設計者對印制板介質(zhì)材料的選擇，更加復雜。遙想當年，材料的選擇是基于價(jià)格和性能的抉擇。通常來(lái)講，設計師選擇材料時(shí)，注重的往往是電性能指標、溫度穩定性、頻率穩定性和熱膨脹系數指標。

反過(guò)來(lái)，相當于微波印制板的制造者來(lái)說(shuō)，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(guò)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(guò)程控制，將直接制約著(zhù)最終微波印制板的質(zhì)量及可靠性。

縱觀(guān)微波印制板的加工歷史，經(jīng)歷了簡(jiǎn)單雙面微帶板的制作、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，所有這些，都是建立在印制板制作工藝技術(shù)不斷提升的基礎之上。

在多層微波印制板的制造方面，美國同行已掌握并實(shí)現了多種型號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)境保護性阻焊膜制造、多層微波線(xiàn)路表面電鍍鎳金以及多層微波印制基板的三維數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計和制造過(guò)程中，選用較多的是介電常數為2.94的聚四氟乙烯覆銅箔板材料。由于制造的工藝實(shí)現，需依據不同微波板材的各性特性，所以通過(guò)以下簡(jiǎn)介，希望給各位一個(gè)初步認識。

這里著(zhù)重介紹的是一種陶瓷粉填充、玻璃短纖維增強的聚四氟乙烯（PTFE）微波覆銅箔板材料，通過(guò)它的多層化加工，可以實(shí)現微波多層印制板的制造。此類(lèi)材料應用最多的是美國Rogers公司生產(chǎn)的RT / duroid 6002板材，它具有以下顯著(zhù)特點(diǎn)：

（1）卓越的高頻低損耗特性；

（2）嚴格的介電常數和厚度控制；

（3）極佳的電氣和機械性能；

（4）極低的介電常數熱系數；

（5）與銅相匹配的平面膨脹系數；

（6）低Z軸膨脹；

（7）低的逸氣性，是空間應用的理想材料。

由于具有上述之種種優(yōu)點(diǎn)，目前該種微波高頻介質(zhì)材料廣泛應用于以下諸方面：

（1）相列天線(xiàn)；

（2）地面和機載雷達系統；

（3）全球定位系統天線(xiàn)；

（4）大功率底板；

（5）高可靠性復雜多層線(xiàn)路；

（6）商業(yè)用航空防撞系統；

此種高頻介質(zhì)板材RT / duroid 6002的主要性能，參見(jiàn)表1。

表1 RT / duroid 6002微波印制板材性能一覽

3、微波印制板多層化制造工藝流程

微波多層板的制造，按照設計的需求，可以有多種實(shí)現途徑。鑒于設計具體需求的差異，可采取各自不同的工藝路線(xiàn)。以下列出的是一種典型微波多層板的制造工藝流程：

（1）光繪模版及內層圖形制作：

（2）層壓制作及表面涂覆：

4、討論

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)現帶來(lái)了一系列問(wèn)題。例如，多層板制造用粘結片的選擇、多層微波印制板的層壓實(shí)現方式、以及聚四氟乙烯類(lèi)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須加以深入研究的課題。下面，將簡(jiǎn)單加以介紹。

4.1 微波印制板多層化制造的粘結片選擇

眾所周知，無(wú)論何種形式多層板的制造實(shí)現技術(shù)，基本離不開(kāi)層壓實(shí)現所發(fā)揮重要作用的粘結片材料。目前，包括美國ROGERS公司、美國ARLON公司和美國TACONIC公司在內，均有針對其不同類(lèi)型微波介質(zhì)基板材料，實(shí)現多層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，可用于層壓制造，現將各公司半固化片情況綜合列表如下。

表2半固化片性能一覽

從上述表2所列粘結片材料來(lái)看，微波多層印制電路板的制造將會(huì )較為復雜，由于各類(lèi)型粘結片的特性差異，在選用過(guò)程中，會(huì )出現這樣那樣的困難，最終將需一個(gè)持續探索和研究的過(guò)程。

4.2 微波印制板多層化制造的層壓控制

由于粘結片選用類(lèi)型的差異，相應之層壓制造工藝，將會(huì )有所區別。這里將選用幾種粘結片材料來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。

4.2.1 半固化片25FR層壓工藝研究

表3 層壓過(guò)程溫度記錄（25FR）

4.2.2 半固化片SpeedBoard C低Tg層壓工藝研究

表4 層壓過(guò)程溫度記錄（SPEEDBOARD C）

4.2.3　半固化片RO4450B層壓工藝研究

表5 層壓過(guò)程溫度記錄（4450B）

4.3 孔金屬化制造前材料表面活化問(wèn)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的印制板，對它進(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，但總結起來(lái)，能達到保證產(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反應，形成一種萘鈉絡(luò )合物。各組份之配比請參見(jiàn)下表6。

該鈉萘處理液，能使孔內之聚四氟乙烯表層原子受到浸蝕，從而達到潤濕孔壁的目的。此為經(jīng)典成功的方法，效果良好，質(zhì)量穩定。

表6 鈉萘處理液各組份配比示例

世事無(wú)絕對，凡事都要采取一分為二的態(tài)度。對于此種聚四氟乙烯鈉萘處理液來(lái)說(shuō)，也有其制備、使用和儲存方面不易的一面，簡(jiǎn)述如下：

（1）該種聚四氟乙烯鈉萘處理液之制備反應，屬非水溶劑化反應（類(lèi)似于有機合成之格氏反應）。對于具備一定化學(xué)合成經(jīng)驗的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，尚不能保證每次合成之成功率。對于不具備此類(lèi)水平的人員來(lái)講，實(shí)現該處理液的配制，較為困難。

（2）由上可知，制備前對反應瓶的去水之烘干處理很重要。

（3）上述反應，需在氮氣的保護下進(jìn)行。因此，對反應裝置的搭建，需進(jìn)行一定的考慮，并善于進(jìn)行總結。

（4）該反應過(guò)程中，會(huì )產(chǎn)生一定的熱量，而此反應成功之關(guān)鍵之一，是確保反應過(guò)程藥液溫度需低于5℃?？赏ㄟ^(guò)冰浴或冰鹽浴來(lái)保證。

（5）作為反應主要成份的金屬鈉，易燃，危險性大。一方面需專(zhuān)人管理，另一方面在反應前需對其進(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成功合成。有時(shí)，金屬鈉來(lái)料質(zhì)量的好壞，直接關(guān)系到最終之成敗。

（6）最后，對于鈉萘處理液來(lái)講，其毒性大，且保質(zhì)期較短，應根據生產(chǎn)情況進(jìn)行配制。不用時(shí)，選用棕色細口瓶進(jìn)行密閉保存。此外，采用該處理液對聚四氟乙烯進(jìn)行孔壁作用后，可將其及時(shí)倒回棕色瓶?jì)?，留作下回再次使用?/p>

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(chēng)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(wú)序運動(dòng)的狀態(tài)，所以具有相當高的能量。

（1）機理：

在真空室內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，或反應性高的自由基。

如此產(chǎn)生之離子、自由基被連續的沖撞和受電場(chǎng)作用力而加速，使之與材料表面碰撞，并破壞數微米范圍以?xún)鹊姆肿渔I，誘導削減一定厚度，生成凹凸表面，同時(shí)形成氣體成分的官能團等表面的物理、化學(xué)變化，提高鍍銅粘結力、除污等作用。

上述等離子體處理用氣體常見(jiàn)的有氧氣、氮氣和四氟化碳氣。下面通過(guò)由氧氣和四氟化碳氣所組成之混合氣體，舉例說(shuō)明等離子體處理之機理：

（2）用途：

1、凹蝕 / 去孔壁樹(shù)脂沾污；

2、提高表面潤濕性（聚四氟乙烯表面活化處理）；

3、采用激光鉆孔之盲孔內碳的處理；

4、改變內層表面形態(tài)和潤濕性，提高層間結合力；

5、去除抗蝕劑和阻焊膜殘留。

（3）舉例：

A．純聚四氟乙烯材料的活化處理

對于純聚四氟乙烯材料的活化處理，是采用單步活化通孔工藝。所用氣體絕大部分是氫氣和氮氣的組合。

待處理板無(wú)需加熱，因為聚四氟乙烯被處理成活性，潤濕性有所增加。真空室一旦達到操作壓力，啟用工作氣體和射頻電源。

大多數純聚四氟乙烯板的處理僅需約20分鐘。然而，由于聚四氟乙烯材料的復原性能（回復到不潤濕表面狀態(tài)），化學(xué)沉銅之孔金屬化處理需在經(jīng)等離子體處理后的48小時(shí)內完成。

B．含填料聚四氟乙烯材料的活化處理

對于含填料的聚四氟乙烯材料制造的印制電路板（如不規則的玻璃微纖維、玻璃編織增強和陶瓷填充之聚四氟乙烯復合物），需兩步處理。

第一步，清潔和微蝕填料。該步典型之操作氣體為四氟化碳氣、氧氣和氮氣。

第二步，等同于前述純聚四氟乙烯材料表面活化處理所采用的一步法工藝。

5、結論

各類(lèi)通訊用特種印制板之一的微波印制板，尤其是聚四氟乙烯類(lèi)微波材料的運用，在原有對印制板之單、雙面制造要求的基礎上，逐漸向微波多層化電路板制造方向邁進(jìn)。這種微波多層印制電路板有別于傳統意義上的多層印制板，由于其層壓制造之特殊性，除了微波多層板粘結材料的選擇、微波多層板的層壓制造、以及微波多層板的孔金屬化前活化處理，必須認真研究對待以外，對層間重合精度、圖形制作精度、層間介質(zhì)層厚度一致性、鍍層均勻性及涂覆類(lèi)型，也提出了更為苛刻的要求。

進(jìn)入二十一世紀以來(lái)，無(wú)論是各類(lèi)微波多層印制板的設計需求數量，還是制造工藝要求質(zhì)量，都在迅速發(fā)展之中。由于其獨特的產(chǎn)品特征，在電子、通信、汽車(chē)、軍事、計算機等領(lǐng)域中將大顯身手，未來(lái)的應用會(huì )越來(lái)越廣泛。