高频微波印制板制造技术.docx

1、高频微波印制板制造技术高频微波印制板制造技术主讲：杨维生一、前言1.高频微波印制板在我国获得飞速发展的主要原因： 1）通信业的快速进步，使原有的民用通信频段显得非常的拥挤，某些原军事用途的高频通信，部分频段从21世纪开始，逐渐让位给民用，使得民用高频通信获得了超常规的速度发展。 2）高保密性、高传送质量，要求移动电话、汽车电话、无线通信，向高频化发展。 3）计算机技术处理能力的增加，信息存储容量增大，迫切要求信号传送高速化。二、定义1.微波定义。波长为1m0.1mm之间，相应的频率范围为300MHZ3000GHZ（1GHZ=1000MHZ）的电磁波称为微波。常将微波划分为分米波、厘米波、毫米波

2、和亚毫米波四个波段。 波段名称波长范围频率范围频段名称分米波厘米波毫米波亚毫米波1m10cm10cm1cm1cm1mm1mm0.1mm300MHZ3GHZ3GHZ30GHZ30GHZ300GHZ300GHZ3000GHZ特高频（UHF）超高频（SHF）极高频（EHF）超极高频 表1微波波段的划分波段频率范围/GHZ波段频率范围/GHZUHF0.3 1.12Ka26.5 40.0L1.12 1.7Q33.0 50.0Ls1.7 2.6U40.0 60.0S2.6 3.95M50.0 75.0C3.95 5.85E60.0 90.0Xc5.85 8.2F90.0 140.0X8.2 12.4 G1

3、40.0 220.0Ku12.4 18.0R220.0 325.0K 18.0 26.5 表2微波中的常用波段微波特点： 1）频率高。微波的震荡频率极高，每秒在三亿次以上，震荡周期很短，在10-910-12s之内，和低频器件电子的渡越时间10-810-9s属同一数量级或者还小得多。微波的频率高，在不太大的相对带宽下，其可用频带很宽。频带宽意味着信息容量大，使得它在需要很大信息容量的场合得到了广泛的应用。 2）似光性。微波的波长比一般的宏观物体（如建筑物、船舰、飞机和导弹等）的尺寸都小得多，当微波波束照射到这些物体上时，将会产生显著的反射。波长越短，其传播特性就越接近于几何光学，波束的定向性和分

4、辨能力就越高，天线的尺寸也可以做得越小。 3）能够穿透电离层。微波能毫无阻碍地、低衰减地穿过电离层，因此称微波是“宇宙窗口”，为卫星通信、宇宙通信、导航、定位以及射电天文学的研究和发展提供了广阔的发展前景。 4）测量技术上特点。在测量技术上微波波段也有明显特点。低频电路测量的几个基本参量是电压、电流和频率，在微波波段电压和电流已失去了唯一确切的含义，因而测量的基本参量是功率、阻抗和波长。2.微波的应用。 1）微波技术的早期发展是和雷达交织在一起的。 2）微波通信是国际公认的最有发展前途的三大传输手段（微波、卫星和光纤）之一。3.高频微波印制板定义。在具有高频微波基材的覆铜板上，加工制造成的印制

5、板，叫作高频微波印制板。这是一钟刚性印制板，分为单面、双面、多层高频微波印制板。高频基材同普通FR-4基材合压形成的印制板，叫做混合型多层印制板；高频微波基材与金属基混合压成的基材制成的印制板，叫做高频金属基印制板。三、基材要求印制板的整体特性、加工性能、长期可靠性，在很大程度上取决于基板材料的特性。对高频微波印制板而言，所使用的基材与FR-4是完全不同的。为实现高速传送信号，要求基材的选用，必须考虑介电常数（Dk）和介质损耗因素（Df）这两个性能参数。根据电子产品的性能要求，选取不同介电常数的基材来制造高频微波印制板。1.介电常数介电常数Dk（或r），英文为dielectric consta

6、nt或relative permittivity，表示某电介质电容器的电容，与同样构造的电容器在真空状态下的电容之比。介电常数Dk（或r），通常表示出某种材料存储电能能力的大小。国内旧的专业文献资料，常用r符合表示，而国外和新的国内文献资料，常用Dk表示。2.覆铜板的介电常数覆铜板，由树脂、增强材料（布、纤维、纸）和充填剂所组成，构成为电的绝缘体，也称为电介质。基板材料，实际上是整块印制板中的一个电容器。当介电常数Dk大时，表示存储电能大，电路中电信号的传播速度就会变低；反之，Dk小时，电信号传播速度就快。在高频线路中，信号的传播速度，有以下的关系： v=kC/Dk 式中，V表示信号传播速度；

7、k是常数；C为光速，3108m/s；Dk表示基板的介电常数。3.低介电常数基材1）聚四氟乙烯，英文名PTFE，俗称Teflon，Dk=2.4，其分子结构是对称的，因而具有优良的物理、化学和电气性能。PTFE能耐许多强腐蚀性介质，至今尚无一种能在300C以下溶解它的溶剂，因而有“塑料之王”之称。其相对密度2.142.20，熔点417C，吸水性（24小时）0.01%。PTFE具有塑料中最好的绝缘性能，其体积电阻高达1018cm。2）2003年4月，美国Arlon公司推出最新的低介电常数的轻型覆铜板基材，型号为Foam Clad R/F TM 100。据称，Dk为1.151.35，介质损耗0.002

8、0.005，比重0.35g/cc，吸水率0.5%，热膨胀系数CTE在X、Y轴为25ppm/C，而Z轴CTE为7.5%（50100C）。这是目前Dk最低的一种高频微波板材，有望替代大多数的高频微波金属天线。这种基材，是蜂房式结构，低Dk，轻型，不耐热，在小于100C的环境下使用。用其制成的PCB，不可上阻焊（因为阻焊剂固化时为150C，60min），不可焊接。这种基材，在不同板厚时，其介电常数Dk和介质损耗因素Df，略有差异。电介质材料在交变电场的作用下，由于发热而消耗的能量，称为介质损耗。通常，以介质损耗因素Df（又称介质损耗角正切，tan）来表示。英文名为loss tangent，或diss

9、ipation factor。Dk和Df是成正比例的，小的介电常数Dk，介质损耗因素Df也小，对应于能量损耗也小。4.基材其他性能 对印制板设计师和生产企业来说，在设计和制造高频印制板时，重要的前提是选用合适的基材。在选择基材时，除了介电常数Dk和介质损耗因素Df外，还应了解该基材的其它方面的性能。 1）基材的结构2）基材的热膨胀系数3）基材的其它性能指标四、各种高频微波板材高频微波覆铜板基板材料，欧美供应商提供的品种繁多，基材的介电常数从1.15开始，直至10.2，共有一百余种。主要集中在这几家供应商：Rogers、Arlon、Taconic、Metclad、GIL、Polyfon、Isol

10、a。这几家供应商，在深圳、上海、中国香港或中国台湾地区，已设立了办事机构或代理，有的已在国内建厂生产。除了欧美以外，日本高频微波覆铜板品种也很多。主要生产厂商有三菱瓦斯、松下电工、住友电工、日立化成、Chukok等公司。聚酰亚胺（PI）、聚苯醚（PPE）、双马来酰亚胺改性三嗪（BT）树脂基材，都已经系列化、商品化。 韩国公司SMART R&C，从2.173.50介电常数，已有多个品种可批量供货，板材厚度从0.25mm1.57mm。回顾国内相关企业，主要有陕西西安704厂研究所、江苏泰州旺灵绝缘材料厂两家。总结：1）影响高频微波印制板的关键性能参数，是介电常数Dk和介质损耗因素Df。2）介电常数

11、低的基材，其结构一定是聚四氟乙烯和玻璃纤维所构成。3）鉴于聚四氟乙烯是介电常数最低的物料，通过调节玻璃纤维、陶瓷粉等填料和聚四氟乙烯的比例，可以形成微波板材的系列化。4）基于聚四氟乙烯刚性差、钻/铣毛刺多、孔金属化困难、成本高，各板材供应商开发出了，介电常数3.23.8之间的不含聚四氟乙烯的板材。其结构是玻纤、陶瓷、树脂，树脂多为聚酯、聚酰亚胺、聚苯醚等。 5）根据产品性能要求的不同，设计和制造多层板时，应该选择相匹配的半固化片。6）高频微波板材的介电常数，在不同频率下测试会有些变化，但变化量不大。五、高频微波版基本要求 1）介电常数、介质层厚度、铜箔厚度符合客户图纸要求。 搞清楚介电常数、板

12、厚、铜厚，是制作高频微波板的前提条件，因为此类因素对产品性能影响是很大的。此外，同一基材，在不同频率下，其Dk也会有一点变化。从500MHZ到10GHZ，板材的介电常数变化约10%，PTFE变化最小，越为0.5%。 2）印制板线宽/间距公差要求严格。 鉴于高频信号传输的特点，要求印制板的特性阻抗值是严格的。印制板的线宽/间距通常的公差要求是0.02mm，更严格的是0.015mm。Z0=8T/（Dk+1.41）ln5.98H/（0.8W+T）微带线结构的特性阻抗值Z0计算公式。 式中：Dk-介电常数、H-介质厚度、W-导线宽度、T-导线厚度。 四个参数的控制，将有效控制住特性阻抗Z0的变化范围。

13、在这四个参数中，影响最大的是介质厚度H，其次是介电常数Dk、导线宽度W，最小的是导线厚度T。一旦材料选定后，Dk变化很小，H变化也小，T较易控制，而线宽W的控制就成为印制板工程设计完成后，生产印制板的难点之一了。 3）印制板导线质量控制。 此类印制板的线路传送的不是直流电流，而是高速电脉冲信号。这是与传统FR-4印制板的根本区别所在。正因为于此，导线上的凹坑、锯齿、缺口、针孔、划伤等缺陷，都是不允许的，此类小缺陷会影响信号的传输。4）聚四氟乙烯孔金属化难度大。 对于聚四氟乙烯（PTFE）板材的孔金属化加工，无论是双面或多层板，均要求热冲击288C、10秒、13次。六、高频微波印制板制造特点 随

14、着应用需求及设计技术的不断提升，微波印制板的图形制造精度要求将会逐步提高，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。 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技术在现代通讯设计中的广泛应用，以及微波印制板的高精度、

15、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。 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

16、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。随着现代电子产品应用范围的扩大，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。 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。 1.高频印制板制造特点：表面处理多样化1）电镀铜 2）电镀锡/铅 3）化学沉镍/浸金 4）电镀镍 5）电镀金 6）化学浸锡 7）金属镀/涂层之特性及厚度控制要求 2.高频印制

17、板制造特点：机械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，尤其是金属基高频微波基板材料，是微波印制板制造过程中周期较长的一道工序，因而外形加工技术解决的好坏直接关系

18、到整个微波印制板的加工周期长短。 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

19、，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。 七、微波印制板的选择1.微波印制板选用之一微波高频介质板的选用中通常应当考虑的因素包括：电性能，温度稳定性，频率稳定性和热膨胀系数（CTE）。 1）电性能。通常，实现相同的功能，用高介电常数的材料可以使电路做得更小。 2）温度稳定性。温度稳定性是指介电常数随温度变化的稳定程度。在设计对温度变化较为敏感的电路如：带通滤波器，压控振荡器及天线时，随温度变化较大的材料会带来许多问题。 3）频率稳定性。频率稳定性是指介电常数随频率变化的程度。该项指标是根据IPC-650 2.5.5.5.1 , 在500MHZ到

20、10GHZ范围内测量的。 4）热膨胀系数。热膨胀系数是衡量材料随温度变化的机械特性。IPC-TM-650 2.4.24.规定了板材的CTE的测量方法。2.微波印制板选用之二 1）铜箔种类及厚度选择。目前最常用的铜箔厚度有35m和18m两种。 2）孔适应性选择。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；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

21、吸水性小的基材，或采取结构工艺上的措施进行保护。 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。3.结构设计问题 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。 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

22、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。4.微带线制造特性阻抗问题Z0 = （ 87 / r +1.41 ）l n 5.98 H / （0.8W+T） 式中：r介电常数； H电介质层厚度（mm）； W印制导线宽度（mm）； T印制导线厚度（mm）。 对于单、双面微带图形制造而言，在高频基材选定后，特性阻抗仅与导线宽度有关。 而对于微波多层印制板的制造，特性阻抗在与导线制作精度密切相关的同时，也受层间介质厚度及均匀性的

23、影响。 当选定微波板基板材料后，介电常数r变化是极小的（对如美国ROGERS公司提供之产品而言），介质厚度（H）之变化也是很小的，至于导线厚度也是容易控制的（铜箔厚度35m或18m）。但导线宽度（W）的控制即使允许变化+10%（按照IPC-HF-318A “微波印制板成品检验和实验规范”标准，规定微带线侧蚀每边不得超过板面总铜箔厚度，或线宽的10%，取二者当中较小的值。），有时也是很难控制的 。这里既有模版光绘制作、图形转移和图形蚀刻等所带来的线宽问题，又有导线上缺陷（缺口、凸出、针孔和凹陷等）问题。 导线的缺陷会改变导线的截面积，或者说会改变导线的宽度和厚度（特别是导线宽度）尺寸。其结果，使

24、有缺陷处的特性阻抗值不同于完整导线处的特性阻抗值，将造成缺陷处的不同电压信号（或信号反射），最终可能导致信号传输的失真。 因此，对于高频信号的传输线，不仅对导线的整体长度上宽度和厚度有严格的控制，而且对导线整体长度上的缺陷也必须加以严格控制，才能产生出合格的或规定的Z0值的信号传输线来。对于信号传输线的缺陷之控制，主要是： （1）工作室的净化控制； （2）曝光底片的保管于维护； （3）铜箔的表面处理； （4）显影和蚀刻的操作。 因此，从某种意义上来看，制造生产信号传输线的微波印制板，实质上是如何加工出理想或完善导线宽度的问题。从另外一种角度而言，利用导线宽度的调整，是改变和控制特性阻抗Z0值的

25、最有效和最重要的方法。八、PTFE印制板制造工艺技术1.PTFE印制板的加工难点 1）数控钻孔。由于基材柔软，钻孔叠板数不能多，2）化学沉铜。化学沉铜的前处理，是制造PTFE印制板的难点之一，也是很关键的一步。主要集中于两种方法，即化学处理法和等离子处理法。 3）蚀刻。严格控制线路侧蚀、锯齿、缺口等缺陷，线宽公差严格控制在0.02mm，甚至0.015mm。 4）阻焊膜制作。蚀刻图形结束后，进入阻焊膜制作工序。丝印前，不能用刷辊磨板。 5）热风整平。基于氟树脂的内在性能，应尽量避免板材急速加热。 6）数铣外形。氟树脂柔软，普通铣刀铣外形毛刺非常多，以锋利的小刀也难以除尽，需要选用合适的铣刀和参数

26、铣外形。 7）工序间周转。不可垂直立放，只能隔胶片或纸平放在货筐内。2.PTFE双面板的制造 1）工艺流程应注意事项（1）光成像、丝印阻焊工序，在制板允许放在插板架上，其余各工序应隔胶片（或纸），装入塑料框运送或存放。（2）蚀刻后，印制板基材表面微观粗糙，易损坏，因此，板蚀刻后，不允许机械制板，手指不允许触及到图形内，以防破坏基材表面，造成阻焊膜附着力不良。（3）PTFE板的图形线路是传导高频讯号的，与FR-4印制板传导直流电流是二个完全不同的概念。因此，对线宽/间距，线路厚度要求都是严格的。（4）印制板表面的压伤、凹坑、划伤、缺口、板面污渍等，都会影响讯号的传输，都属于致命的质量缺陷。 2）

27、主要工序工艺制作控制要点（1）PTFE板材存放时为平放，存放时吸入的水汽是极少的，下料时，不必再进行烘板处理。（2）针对PTFE板材的钻孔操作，与传统的FR-4板钻孔参数是不一样的。 （3）孔的处理-化学前处理。（4）孔的处理-等离子前处理。（5）孔金属化。（6）图形转移。（7）蚀刻。严格控制线宽间距，确保在公差范围内。（8）阻焊制作。蚀刻后的在制板，丝印阻焊膜前停留时间不应超过12小时。（9）热风整平（10）化学沉银（11）外形加工3.多层PTFE印制板的制造 1）PTFE多层板，从结构上分析，可分为三种类型九、军用微波多层板的选材介绍1.介绍 由于大量采用相馈网络和相控天线系统，RF和微波

28、应用对于介质材料的相位和介电常数变化越来越敏感。如此一来，OEM为了达到系统的设计指标，设计师对于材料的相位稳定性，介电常数的控制、薄基材、尺寸稳定性和多层加工性都有更高要求。由于高频（Ku，K，Ka和毫米波）的趋势以及系统重量的要求，越来越多的设计采用薄基材和细导线。具有高度的温度稳定性（无论是电气性能还是机械性能）和尺寸稳定性的材料，又能够严格控制允差（厚度和介电常数），低的Z轴热膨胀系数，都是满足这类封装的基本要求。 而且，还必须能在很大的温度变化范围（-55C+150C）内，保证系统的能力和可靠性。这对材料来说是非常高的要求，但在系统的性能上看又是必需的。尤其对波束形成网、多功能复合雷

29、达、温度稳定的天线等，需要多层印制板的应用。2.应用空间雷达（SBR）对于重量和温度都非常敏感，而且对于可靠性也有非常高的要求，因为在太空对系统进行维护是非常困难的，而且代价高昂。 对于SBR来说，由于发现号STARLIFE雷达系统以后，技术发展很快。比如，有源相控阵和综合孔径雷达，被认为是空间雷达的标准设计。如此，材料的可靠性和高性能在广泛的温度范围内，对于高分辨率的数据获取和准确的图形分析都非常重要。3.PTFE在多层印制板中的极限性聚四氟乙烯是近乎理想化的微波电路用材料，它因为很好的高频特性而被人所认知。它可以承受很高和很低的温度、化学惰性、能耐受紫外线辐射。在所有的固态材料中，它的损耗

30、和介电常数都是最好的。不过，加工PTFE多层板的难度是很大的，这是因为PTFE的热膨胀系数（CTE）较大。电气特性方面，玻璃布支撑的PTFE材料，ARLON公司的Diclad880、Cuclad217，Taconic公司的TLY-5和Rogers公司的RT/duroid5880的损耗角特别低，这些材料的PTFE含量很高，玻璃布或玻璃纤维的相对含量要低一些。PTFE是相对较软的介质材料，它们的体积模量较低。不过，玻璃（织布或飞织布）在平面的约束，使得热膨胀大多发生在Z轴上。这大大影响了镀孔（PTH）的可靠性。通常，Z轴的CTE值大多在200ppm/C，跟PTH的铜的CTE18ppm/C相比，在多

31、层板中更可能造成可靠性的问题。另一个局限因素是介电常数随温度的变化。尽管大家公认这些PTFE为主要成分的材料的温度特性，比环氧树脂为主的材料好，才能保证微波频率下绝对的相位稳定。这是因为随着介电常数的变化，传输长度也在变化，降低了效率。4.陶瓷粉的添加在早期，人们讨论通过PTFE/玻璃组成改进机械特性。还有就是改变PTFE的二次相位变化，这对微波印制板来说是由于温度变化改变了电气长度，相位偏移。 为了补偿机械和电气特性，材料制造商在新的PTFE材料中加入了陶瓷微粒。这大大减少了Z轴的膨胀，当材料的热膨胀和铜接近，PTH的可靠性显著提高。当电路设计围绕一定的频率，物理线路针对一定的电气长度，这些都被相位角作为标称。不管是介电常数还是物理尺寸发生变化，相位角都要受到影响。 有趣的是，PTFE材料通常显示出随温度升高，介电常数降低的特性。随着介电常数的增加，电气长度减少，材料的物理尺寸通常随热的增加而增加。信号传输长度也随之增加。前面描述的传统材料，介电常数随温度变化系数比物