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(dǎo)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(guān)，它是以正弦波來傳輸信號的產(chǎn)品，如雷達(dá)、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)模瑯右才c電磁波的方波傳輸有關(guān)，這一類產(chǎn)品開始主要在電腦，計(jì)算機(jī)等應(yīng)用，現(xiàn)在已迅速推廣應(yīng)用到家電和通訊的電子產(chǎn)品上了。

    為了達(dá)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(shí)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(diǎn)，就微波印制板的選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造工藝等方面進(jìn)行了較為全面的探討。

    2、微波電路板制造的特點(diǎn)

    微波電路板（高頻板）制造的特點(diǎn)，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(yīng)用最多的是國產(chǎn)玻璃布增強(qiáng)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(yīng)一些高性能要求的場合。進(jìn)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(yīng)用，主要有玻璃纖維增強(qiáng)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(jià)格昂貴，但它優(yōu)異的介電性能和機(jī)械性能仍較國產(chǎn)微波印制板基材擁有相當(dāng)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(yīng)用。

    2.2、計(jì)算機(jī)控制化：

    傳統(tǒng)的微波電路板（高頻板）生產(chǎn)中極少應(yīng)用到計(jì)算機(jī)技術(shù)，但隨著CAD技術(shù)在設(shè)計(jì)中的廣泛應(yīng)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(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)已成為必然的選擇。高精度的微波電路板（高頻板）模版設(shè)計(jì)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(yàn)，已經(jīng)離不開計(jì)算機(jī)技術(shù)。因此，需將微波電路板的CAD與CAM、CAT連接起來，通過對CAD設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理和工藝干預(yù)，生成相應(yīng)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(yàn)和成品檢驗(yàn)。

    2.3、設(shè)計(jì)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(jìn)入穩(wěn)定階段。而微波電路板（高頻板）的設(shè)計(jì)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(jìn)一步多樣化，將特別強(qiáng)調(diào)鋁襯底的保護(hù)及鍍覆。另外對微波板的整體三防保護(hù)也將提出更高要求，特別是（PTFE）聚四氟乙烯基板的三防保護(hù)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(guān)工序的生產(chǎn)及過程控制技術(shù)，還包含合理的制造工藝路線安排。針對不同的設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)，優(yōu)化各相關(guān)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(diǎn)解決的一項(xiàng)技術(shù)。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(jìn)的計(jì)算機(jī)控制數(shù)控加工技術(shù)。但帶鋁襯板微波電路板的外形加工技術(shù)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(jī)床都具有極大的特殊性，也有大量的技術(shù)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(shù)解決的好壞直接關(guān)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(yīng)用范圍的擴(kuò)大，其使用的環(huán)境條件也復(fù)雜化，同時由于大量應(yīng)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(hù)，在原有化學(xué)沉銀及鍍錫鈰合金的基礎(chǔ)上，提出了更高的要求。一是微帶圖形表面的鍍覆及防護(hù)，需滿足微波器件的焊接要求，采用電鍍鎳金的工藝技術(shù)，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(yīng)解決既可有效防護(hù)又不影響微波性能的三防保護(hù)技術(shù)。二是鋁襯板的防護(hù)及鍍覆技術(shù)。鋁襯板如不加防護(hù)，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(yīng)用，其防護(hù)技術(shù)應(yīng)引起足夠重視。另外要研究解決鋁板的電鍍技術(shù)，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(shù)，同時還存在微帶圖形的保護(hù)問題。

    2.7、批生產(chǎn)檢驗(yàn)設(shè)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(jié)構(gòu)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(luò)）的"通""斷"和"短路"等是否符合要求，而且還應(yīng)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(yàn)，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(yàn)技術(shù)非常落后，現(xiàn)行方法基本是以人工目視檢驗(yàn)為主，輔以一些簡單的測量工具。這種原始而簡單的檢驗(yàn)方法很難應(yīng)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(yàn)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(yàn)設(shè)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(yīng)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(yīng)性、可加工性等因素，當(dāng)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(yīng)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(yīng)性選擇

    現(xiàn)有的微波基材，對于標(biāo)準(zhǔn)要求的－55℃～＋125℃環(huán)境溫度范圍都沒有問題。但還應(yīng)考慮兩點(diǎn)，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(yīng)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(qiáng)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(yīng)選擇吸水性小的基材（參見表一至表四），或采取結(jié)構(gòu)工藝上的措施進(jìn)行保護(hù)。

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    3.3、可加工性選擇

    隨著設(shè)計(jì)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(fù)雜化，外形加工復(fù)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(gòu)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(yīng)介電性能要求之RT/Duroid系列基材板。

    4、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    由于微波電路板（高頻板）的外形越來越復(fù)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(yīng)用數(shù)控銑加工技術(shù)。因而在進(jìn)行微波電路板設(shè)計(jì)時應(yīng)充分考慮到數(shù)控加工的特點(diǎn)，所有加工處的內(nèi)角都應(yīng)設(shè)計(jì)成為圓角，以便于一次加工成形。如果確實(shí)需要有直角，也可設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也不應(yīng)追求過高的精度，因?yàn)榉墙饘俨牧系某叽缱冃蝺A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?yàn)轭櫦爱?dāng)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(shí)際上，參照國外的規(guī)范設(shè)計(jì)，微帶線端距板邊應(yīng)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(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)特點(diǎn)、制造線路精度要求、制造設(shè)備及****先進(jìn)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(yīng)的調(diào)整。如圖形電鍍鎳金工藝流程被細(xì)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(dāng)線路制造精度要求為±0.02mm以內(nèi)時，各流程之相應(yīng)處，須采用濕膜制板工藝方法；

    ③當(dāng)線路制造精度要求為±0.03mm以上時，各流程之相應(yīng)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(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)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?yàn)?，采用圖形電鍍鎳金的陽版工藝流程，若操作控制不當(dāng)，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(jìn)行孔金屬化制造時，可采用鈉萘溶液或等離子進(jìn)行處理。而TMM10、TMM10i和RO4003、RO4350等則無需進(jìn)行活化前處理。

    6、結(jié)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(shù)運(yùn)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(xì)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(jìn)一步增多、設(shè)計(jì)要求的不斷提升，要求我們進(jìn)一步優(yōu)化現(xiàn)有微波印制板制造工藝，與時俱進(jìn)，以滿足不斷增長的微波電路板制造要求。