高频板工艺简介教学课件

1、高频板工艺简介高频板工艺简介21 定义定义 什么叫高频？ 通常短波频率300MHz，即波长1米的范围，称作高频。 什么叫微波？ 通常频率1GHz（100MHz），波长300mm的电磁波，称作微波。 高频微波印制板 在高频微波基材覆铜板上，加工制造成的印制板叫高频微波印制板。 类型：单、双、多层，刚性。 高频基材+普通FR4基材，制成的是混合型多层板。 高频基材+金属基，混合压成的基材制成的印制板叫高频金属基印制板。32. 快速发展原因快速发展原因 通信业的快速进步，原有的民用通信频段拥挤，高频通信部分频段（军用）逐渐让给 民用。民用高频通信获得超常规速度发展。 卫星接收，基站，导航，医疗，运输

2、等各个领域大显身手。 高保密性，高传送质量，要求移动电话，汽车电站，无线通信向高频化发展。 高画面质量，要求广播电视传输用甚高频播放节目。 高信息量传送信息，要求卫星通信，微波通信，光纤通信必须高频化。 计算机技术处理能力增加，信息存储容量增大，迫切要求信息传送高速化。 因此，电子信息产品高频化，高速化对PCB提出了高频特性的要求。 高频微波PCB成为电子信息高新科技产业必不可少的配套产品。43 高频微波高频微波PCB应用应用 v应用场所使用频率v个人接收基地台或卫星发射13 24 GHzv汽车防碰撞系统(CA) 75GHzv直播卫星系统(DBS) 13GHzv卫星降频器(LNB/LNA) 2

3、 3GHZv家庭接收卫星12 14GHzv全球卫星定位系统(GPS) -40 85 1.57/1.22GHzv汽车、个人接收卫星2.4GHzv无线携带通信天线系统14GHzv卫星小型地面站(VSAT) 12 14GHzv数字微波系统(基站对基站接收) 10 38GHz54 对基材的要求对基材的要求 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。 为达到高频高速传送信号，要求基材必须考虑： （1）Dk（r），dielectric constant，或 relative permittivity，介电常数。 （2）Df（tan），loss tangent，或 Dissipat

4、ion Factor，介质损耗因素（介质损耗角 正切）。 基材结构：玻纤，树脂，填料。 CTE（热膨胀系数）。 其它剥离强度，绝缘电阻，Tg，阻燃，吸水性65 介电常数介电常数Dk（ r） （1）定义：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电容之比。 （2）覆铜板的介电常数 覆铜板基板由树脂，增强材料（布、纤维、纸），填充剂组成，构成电的绝缘体，称为电介质。基材实际上就是整块印制板中的一个电容器。 Dk大，表示存储电能大，电路中信号传播速度就会变低。 Dk小，电信号传播速度就快。 通常，印制板上的电流信号的电流方向，是正电、负电相互交替变化的，这样频率化的交换，相当于 “充电放电充

5、电” 的过程。在互换中，只要有少量电容存留，就会影响传输速度。7 在高频线路中，信号传播速度公式： V信号传播速度 K常数 C光速，3108m/s r基板介电常数 降低Dk，有利于提高信号的传播速度。Dk越大，传输速度就会越低。Dk越小，传输速度越快。 因此，利用PCB的低介电常数，来达到信号传播的高速度。 这就是为什么高频微波印制板要求低介电常数的原因。rckvcltprpd8 （3）低Dk基材 PTFE（聚四氟乙烯），俗称Teflon。 分子结构： 。分子结构是对称的，因而具有优良的物理、化学、电气性能。相对密度2.142.20。熔点327，吸水性（24小时）0.01%。 “塑料王”：耐许

6、多强腐蚀性物质，至今尚无一种能在300 以下溶解它的溶剂。 PTFE，Dk=2.1，很低。 聚四氟乙烯玻纤布覆铜板，在12GHz下，Dk=2.60；在1MHz下，Dk=2.62。而FR4的Dk=4.9。 因此，PTFE的Dk比FR4低47%，PTFE印制板的信号传播速度快40%以上。 PTFE缺点 刚性差，铣外形毛刺多，PTH困难，成本高，加工困难。 FCFFCF9 除FTFE外，其它Dk低的基材 基材的Dk低，需选用低Dk树脂，玻纤，填料。 聚丙醚Dk2.5，氰酸酯2.9，聚丁二烯3.0，环氧树脂3.9，电子级玻纤Dk6.6，新型NE玻纤布4.4。 低Dk树脂+低玻纤布组合加工而成的低Dk覆

7、铜板有以下几类： PI聚酰亚胺环纤布覆铜板，Dk3.8；PPO聚苯醚玻纤布覆铜板，Dk3.5； CE氰酸酯玻纤布覆铜板，Dk4.0；BT双马来酰亚胺改性三嗪Dk4.14.3。 最低Dk的基材 Dk=1.151.35（不含PTFE） 介质损耗Df=0.002-0.005，比重0.35g/cc，吸水率0.5%。 峰房式结构。轻型，不耐热。作高频微波金属天线（美国Arlon公司产品）。106 介质损耗因素（介质损耗因素（Df） （1）定义： 电介质材料在交变电场作用下，由于发热而消耗的能量称为介质损耗。 通常以Df或tan表示。也称介质损耗角正切。 （2）Dk和Df成正比例。 Dk小，Df也小，即能

8、量损耗也小。 PTFE的Df=0.002，比FR4的Df=0.02低了10倍。 PTFE基材的Dk，Df都小，且稳定，几乎没有变化。 PTFE具有优秀的耐潮湿性，吸水率非常小。 PTFE绝缘性能很高，10141015欧姆。tanfk11 （3）其它高频微波板材Df PI（聚胺亚胺）0.008； PPO（聚苯醚，PPE）0.003； CE（氰酸酯）0.0060.008； BT（双马来酰亚胺改性三嗪）0.0040.008。7 其它性能其它性能 基材结构玻纤，纤维；树脂环氧，PI，PPO；填料陶瓷，云母。（对加工工艺有影响） CTE（热膨胀系数） Dk 2.12.7，X-Y方向的CTE是小的，一般9

9、-35；Z轴方向大，150-300PPm/（CTE对印制板可靠性有影响）。 其它剥离强度，绝缘电阻，吸水性，阻燃性，Tg，耐热性（对加工过程，产品使用有影响）。 12 例：Rogers R04003，玻纤+陶瓷，Tg280，Dk3.38，Df0.0022,加工性能同FR4相似，不阻燃，371 （700 ）着火。 Rogers R04350，性能同R04003， Dk3.48，Df0.0040，阻燃94V0。 基材铜厚，板厚。 铜箔常用0.25，0.5，1.0，2.0，OZ（盎司） 板厚0.1，0.2，0.5，直至2.4mm都存在。 通常，考虑价格性能比，用簿板，0.8，0.5，0.3mm常用（

10、高频微波基材比FR4贵几倍，十几倍）。 板厚通常不含铜厚。138.Dk=1.1510.2的各种板材的各种板材 供应商：美国 Rogers，Arlon，Taconic，Metclad，GIL，Polyfon，IsoLa。 Dk1.1510.5，全球有100200个品种。（见另外的附表） 日本：三菱瓦斯，松下，住友，日立化成，Chukok等。 国产：泰州高频覆铜箔板材厂，西安704所等。 影响高频微波板关键性性参数是Dk和Df，通常Dk最低值2.17，Df0.001。 Dk低的板材，通常是PTFE+玻纤。 Dk3.2-3.8，不含PTFE，其结构是聚酯，聚酰亚胺，聚丙醚，玻纤，陶瓷。加工性能类似于

11、FR4。 高频微波多层板，应选择相匹配的半固化片（PP）。Dk2.33.5常用。14 Dk在不同频率下测试会有些变化，但变化量不大。 例如：频率从500MHz变化到10GHz，PTFE的Dk变化为0.5%，而FR4变化为7%。8 高频微波印制板基本要求：高频微波印制板基本要求： （1）Dk，介质层厚度，铜厚符合图纸要求。 （2）线宽/间距公差要求严格。 IPC-6018，10%。 实际上，很多客户要求， 0.02mm， 0.015mm。 特性阻抗公式： TWHInDkTZo8 . 098. 541. 1815 Dk介电常数，H介质厚度（不含铜厚） W线宽，T导线厚。 上述4个因素，影响最大的是

12、H（介质厚度），其次是Dk，W，最小的是T。选定基材后，Dk，H变化小，T（导线厚）较易控制，W（线宽）控制成为工程设计定型后生产PCB的难点之一。 线宽控制0.02mm是关键。 （3）导线划伤，凹坑，缺口，针孔，不允许。 阻焊厚度会影响高频信号传输。 孔内铜厚也会对信号传输有影响。 （4）对PTFE，热冲击228，10秒，1-3次，PTH孔不发生孔壁分离。 169 PTFE印制板生产工艺技术印制板生产工艺技术 .9.1 PTFE印制板加工难点 （1）钻孔 基材柔软，叠板数不能多。 转速要慢些。 基材磨损钻头利害。 钻头顶角、螺纹角有其特殊要求。 （2）印阻焊 丝印前不能用刷辊磨板（氟树脂的影

13、响，附差力）。 （钝化，水洗，吹干；化学法处理）17 （3）HAL（热风整平） 预热 无铅HAL，锡缸温度265（避免板材急速加热，影响到导线，焊盘脱落或翘起）。 （4）铣外形 选合适的铣刀和参数（否则，毛刺多）。 （5）工序转运 防划伤、针孔、压痕、缺口。 特制装载转序工具。 （6）蚀刻 18 严格控制线宽。百倍镜检查。 （工程设计，蚀刻参数，管理） （7）PTH难点之一，关键步骤之一。 传统的PTH工艺行不通。PTFE基材孔内不润湿。 方法一：金属钠，萘，四氢呋喃液化学法。 形成萘钠络合物，浸蚀孔内PTFE表层分子，达到润湿孔的目的。 优点：效果良好，质量稳定，适宜量产。一次性投入成本不高

14、。 缺点：毒性大，钠易燃，危险。需强烈抽风，专门房间，专人管理。 方法二：等离子体法（Plasma）。 在二个高压电极之间注入CF4，氩气，氮气，氧气。PCB放在二个电极之间，腔体内形成等离子体状态，从而把孔内钻污、脏物除掉。 19 优点：效果佳，质稳定，适宜批量生产，工艺简单，易控制，毒性小，干净。 缺点：设备价贵。9.2 双面PTFE印制板的制造 （1）工艺流程 工程设计下料钻孔孔处理PTH 全板镀光成象QC图形镀蚀刻防氧化处理QC阻焊/字符HAL（或沉Ni/An，Ag，Osp）外形加工FQA包装出货。 （2）控制要点化学沉铜前 板材存放平放：下料时，不必烘板。 钻孔：参数同FR4不一样，

15、用新钻头。2拼板/叠（0.81.6mm板厚）。 钻头形状：顶角120，螺纹角27 。 20 钻孔后，轻度刷板，高压水洗。磨痕宽度8-10微米。 孔处理： A、化学法： 萘纳处理槽溶剂处理槽热水洗（2次） 烘干PTH。 萘钠槽：不锈钢槽，盖密封，充氮气（使空气与药液表面形成界面，隔绝水 份，空气进入） 槽架：不锈钢。 钠金属：盛装于煤油中，切成小块投入槽中溶解，不锈钢棒搅拌。严禁水带入（否则会燃烧爆炸）。室温下，浸泡几分钟。 房间：强抽风，地板干燥，不存放酸、碱或无关物品，外人不许进入，板子处理后吹干。操作人员经特殊培训。 21 溶剂处理槽：无色透明溶剂，低沸点，易燃。室温下浸泡几分钟。塑料槽。

16、目的是去除残余的萘钠溶液。 热水洗：55，浸泡2-3分钟，转入自来水洗。 板子要吹干。 板子经处理后进入PTH生产线，不必进入除钻污槽，从降油槽开始，正常的PTH工艺。 B、Plasma法： 等离子体是物质存在的另外一种表现形式，是物质存在的第4种形态（固、液、气三态）。 等离子体在许多方面类似气体，但在某些方面却存在重要区别。 等离子体由带正电荷、负电荷离子以及游离基团和紫外线辐射粒子所组成，就是说，等离子体是离子化的气体，是一种能量提升状态的气体。22 北极光是我们周围自然存在的等离子体的一个例子。 等离子体的活性很强，正是利用这个特性，驱使它和环氧或聚四氟乙烯钻污起化学反应而消除之。在P

17、CB生产工艺中，去钻污使用高锰酸钾法，浓硫酸法等，这些方面对FR4基材的多层板有效，但对PTFE基材不起作用。 等离子体对PTFE基材钻污可以起到化学反应。 很显然，等离子体及其活性是极不稳定的，需要高频电磁场能量。当某种条件中止或消失时，等离子体组成中的各种粒子会瞬间互相选择地结合起来，等离子体退化为原始的气体态，活性消失，等离子体也就不再存在。23 等离子体的生成条件。 1）一个容器腔体形成真空状态。 2）以高频发生器向腔体内的正负电极施加高频电磁场。 3）在腔体内，注入所需的气体。气体在正、负电极间被电离，形成等离 子体。 4）当不存在抽真实状态，高频电磁场消失，等离子体即成为原始气体状

18、态。 等离子体去除钻污 在抽真空的腔体内（抽真空几十至100m Torr 托 ） 在二个正负电极中加高频电磁场，注入气体（CF4，N2，Oz，Hz），从而形成等离子体。 放在二块电极之间的印制板孔内表面上的PTFE钻污、脏物等固体与等离子体接触起化学反应，生成新的气体化合物被真空泵带走，从而使PTFE印制24 板孔内的氟树脂由非极性变成极性。 清洗孔的二个步骤： 第一步：除毛刺。气体CF4（25%），N2（25%），O2（50%），75， 15分钟。 第二步：除孔内钻污。气体：N2（80%）H2（20%），75 ， 20分钟。 一步法：混合气体O2/CF4/N2（80/10/10），30分钟，

19、效果不错。有人用二种混合气体H2/N2（70%/30%）作处理R03000板材（Dk=3.0）。 使用不同气体和比例会获得不同效果。对不同高频微波板材，处理用的气体及参数也有所不同，要通过实践摸索本企业的使用气体和相关参数。 等离子体系统（设备）组成： 五个部分：腔体（方形、园形），真空泵，高频发生器，控制器，混合气体源。（设备系统包含不同的技术专利）。25 板子经Plasma处理后应马上进行化学沉铜，不应停留超过24小时。 C、孔的前处理的其它方法： 除了萘钠化学法，Plasma法作孔的前处理外，还有其它的方法：（文献收集） 1）复合型PTFE板，浸泡新型玻璃蚀刻液。 成份：氟化氢铵20%，

20、硫酸10%，30-40，1-1.5分钟。 过程：板子除油，清洗，微蚀，清洗，浸泡本溶液，清洗，板子进入预浸、 活化、还原、PTH、清洗、板面镀铜、转入光成象。 2）二步法： 第一步：氟化氢铵（10-20%），10%硫酸混合液，40，2分钟。26 第二步：氢氧化钠（510%），硫酸亚锡（20%）混合液处理。1分钟， 水洗，然后PTH。 3）在制板，浸泡四氢呋喃（100%）液，3-5分钟，水洗，酸洗，化学沉铜，极面电镀，光成象。 4）在制板，在沉铜缸前的各处理槽连续走二次（包括活化槽），再作沉铜。 以上几种处理方法，来自文献报道，仅供参考。 经典方法是钠萘化法，Plasma法。 考核PTFE成品板

21、方法： 热风整平（250-265），3秒/次，3次；热冲击（288，10秒）。27 作微切片，观察金属化孔：孔壁无剥离，镀层和拐角无裂纹，无空洞，焊盘不起翘，孔内铜厚20微米。 （3）控制要点沉铜、光成象、图镀、蚀刻、阻焊、外形加工。 背光检测，全板镀铜后。 全板镀，图形镀铜，低电流密度，长周期参数生产。控制孔内铜和表面铜厚均匀性。（线路铜厚不均匀，影响蚀刻，影响线宽公差0.02mm控制）。 蚀刻后必查线宽/间距。（注意底片线宽工艺补偿值经验数据总结）。 蚀刻后防氧化处理，苯骈三氮唑液，使铜表面形成一层无色保护膜。 阻焊：不许机械磨板，否则会破坏PTFE基材，影响阻焊与基材间附差差力。只能化学

22、清洗。 有的PTFE板，阻焊剂仅印在线路上，覆盖线边缘0.25mm，基材上不让印阻 焊。否则影响信号传输。 PTFE板软，烘板要作特殊插架，防板翘曲，防沾污板面。28 HAL（热风整平） 热风整平前预烘板，即作HAL。 PTFE板软，必要时可选择同厚度FR4废板作板的边框架，PTFE放框架内， 红胶带固定，再作HAL。防划伤线路，阻焊层。 若沉Ni/Au，Ag，Sn，按相关工艺要求。 外形加工 特种铣刀。下垫板纤维板，上盖板酚醛纸板。 铣刀直径2.4，2.0，1.6mm，转速约3万转/分，行速1米/分。寿命10-12 米。 尽量少叠板铣外形。 尽量少出毛刺，少量毛刺细心修刮。 PTFE板间，隔

23、白纸，可减少毛刺产生。299.3 多层PTFE印制板的制造 （1）类型：3种 基材是PTFE，粘结片是低熔点热塑性粘结薄膜。 基材是PTFE和FR4，粘结片FR4，为混合型多层板（目前较普遍，成本 低）。 基材是PTFE，粘结片是高熔点氟树脂薄膜。 （2）粘结片（PP） FR4 低熔点热塑性氟树脂薄膜 高熔点氟树脂薄膜 厂商：Rogers，Arlon，Taconic，泰州旺灵。30 （3）层压 FR4半固化片（7628，1080，2116），层压同通常FR4多层板。（注意翘 曲度控制） 低熔点热塑性薄膜，层压用普通层压机。 例：Taconic公司HT1-5型粘结片（薄膜）。 芯板厚度通常0.4

24、mm以上，多层板总厚度0.8mm以上，外层铜厚18或35微米。介质层厚度0.3mm，才考虑70微米铜箔。热压温度220-230，压力5-15kg/cm2，保温20-30分钟。 层压过程，粘结片仅会变软，而不会流动，不需固化时间，30分钟层压温度升至225 ， 保温30分钟即可冷却。 高熔点氟树脂薄膜 需高温层压机（400 以上），油压式。 层压压力20kg/cm2以上。31 分离钢板1.0mm合适。 缓冲材料为不锈钢纤维，芳香族聚酰亚胺板等。 层压温度360-380，保温350，20分。 树脂流动性低，需高压，以便树脂填满内层图形。 缓慢冷却可减少翘曲，扭曲产生。 层压时间长些为好，甚至可达4

25、个小时。 注意：不同供应商的粘结片层压温度是不同的，层压参数以供应商数据资料为准。粘结片（薄膜）预先应脱脂，150干燥1小时。芯板作黑化（棕化）处理。 （3）PTFE多层板生产的其它工序 内层板，图形转移贴膜前，建议作微蚀处理。（机械刷板会导致芯板拉伸变形） 内层板蚀刻后，裸露出PTFE表面，切勿触碰。表面形态的改变，对信号32 传输会发生负面效果。一旦出现这种情况，可对板子作一次等离子体处理，以作修正。 钻孔：转速稍快些，进刀退刀切屑速度慢些。用新钻头，或返磨1次的。叠层通常2拚板/叠。槽孔以钻孔方式完成。 孔的表面处理：建议Plasma法。 例（PTFE+FR4）多层板，Plasma用氧气/氢气（50/50），4300W/15bar，15分钟，温度75-80。 当然，萘钠法世可获得同样效果。 铣外形：转速，进给速度慢些为宜。 例：2.4mm，转速2.0万转/分，进刀0.9米/分，Z轴进给5米/分，2拚板/叠。 目前，看到PTFE多层板，最高层数，68层，埋一盲孔，板厚3.8mm，18 24，作为全球空间系