高頻微波板應(yīng)用范圍及技術(shù)研究

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，微波的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越來越高。新的應(yīng)用層出不窮，已遍及國防建設(shè)、科學(xué)研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日常生活等各個(gè)領(lǐng)域，如圖1所示。

圖1 高頻微波板應(yīng)用范圍示意圖

對印制電路板提出了高頻微波特性的要求，對材料要求也不可避免的越來越高。對高頻微波印制板而言，所使用的基材與FR-4在玻璃纖維布及填料等是完全不同的，目前這種高頻微波材料用于高密度互連板制作上還屬于一個(gè)摸索的階段。因材料差異，制作過程中已出現(xiàn)爆板等異常問題，本文以一款板多階HDI陶瓷板為例，介紹其制作過程中的關(guān)鍵技術(shù)。

1.1 高頻微波的定義

高頻微波顧名思義就是頻率高、波長短，具體短至何種程度，下面定量進(jìn)行描述。通常，將波長為1 m ~ 0.1 mm之間，相應(yīng)的頻率范圍為300 MHz ~ 3 000 GHz的電磁波稱為微波。從電磁波譜圖中可見，微波的低頻端接近于超短波，高頻端與紅外線相毗鄰，因此它是一個(gè)頻帶很寬的頻段，其寬度為3 000 GHz，比所有普通無線電波波段總和寬上萬倍。

為了方便，常將微波劃分為分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波四個(gè)波段。表1與表2分別給出了普通無線電波段和微波波段的劃分。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖2所示，產(chǎn)品主要參數(shù)特點(diǎn)如表3所示。

圖2 產(chǎn)品層壓結(jié)構(gòu)圖

3.1 壓合制作

3.1.1 制作難點(diǎn)分析

此板為某供應(yīng)商的一款陶瓷材料，板在設(shè)計(jì)上確實(shí)比較特殊，它是一個(gè)8層板，2次銅箔壓合，2次激光孔，半固化片使用的是也為該陶瓷料，內(nèi)層銅都是34.3 μm（1 oz），單張bond ply設(shè)計(jì)。而陶瓷料材料性能是一種低流動度的半固化片，而且還有單張?jiān)O(shè)計(jì)，填充區(qū)域的銅厚都是34.3μm（1 oz），這樣以來，在正常的壓合過程中，要想把內(nèi)層線路填充好，故壓合過程中出現(xiàn)空洞，表4為空洞壓合過程中產(chǎn)品料溫曲線及材料固化要求。

此類高頻陶瓷板材半固化片有陶瓷和膠體構(gòu)成，其半固化片含膠量極低，幾乎為零，銅箔結(jié)合力較差，銅箔的附著力較弱，采用半固化片與銅箔壓合后易出現(xiàn)銅皮氣泡或在后續(xù)加工過程中受到外力，或者對產(chǎn)品加熱，極易出現(xiàn)銅箔分層、起泡缺陷。如圖3所示。

圖3 壓合容易出現(xiàn)的問題圖

3.1.2 改善措施

因?yàn)殂~箔與半固化片結(jié)合力差，導(dǎo)致壓合已出現(xiàn)銅皮氣泡問題，此板HDI盲孔為疊孔設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，為改善此類問題，見銅箔與半固化片壓合改為芯板與芯板壓合結(jié)構(gòu)，由之前兩次壓合改為一次壓合制作，具體結(jié)構(gòu)更改如圖4所示。

圖4 層壓結(jié)構(gòu)更改為芯板結(jié)構(gòu)壓合示意圖

壓合程序調(diào)整，根據(jù)材料特性，將壓力提升到650 PSI，恒溫時(shí)間，材料溫度在115 ℃時(shí)，保持時(shí)間在原來基礎(chǔ)上增加15 min，100 ℃到120 ℃升溫速率調(diào)整為1 ℃/min（圖5）。

圖5 更改后的壓合料溫曲線圖

因此材料為陶瓷材料，半固化片含膠量低，壓合過程中出現(xiàn)空洞等問題，為改善此類問題，調(diào)整壓合排版方式；因此板外層含有樹脂塞孔，采用離型膜加Pacopad緩沖壓墊和PCB一起壓合易出現(xiàn)板面凹凸不平，外層樹脂塞孔制作過程中導(dǎo)致砂帶磨板出現(xiàn)漏基材等問題，故將離型膜加Pacopad調(diào)整到鋼板外面，具體排板方式為：離形膜——Pacopad——離形膜——鋼板——PCB——鋼板——離形膜——Pacopad——離形膜。具體如圖6所示。

圖6 壓合排版結(jié)構(gòu)改善前后對比

3.2 流程設(shè)計(jì)

3.2.1 優(yōu)化前流程設(shè)計(jì)

此板原為兩張芯板加半固化片與銅箔疊加方式壓合，盲孔為疊孔設(shè)計(jì)，要求盲孔填平，內(nèi)層銅厚控制最小34.3 μm（1 oz），為滿足客戶要求原流程為：

（1）第一次壓合（制作L3~L6層樹脂塞孔）。

開料→內(nèi)層圖形→內(nèi)層蝕刻→內(nèi)層AOI→棕化→壓合（L3/L6層壓合）→內(nèi)層圖形1→內(nèi)層AOI1→棕化2

（2）第2次壓合（制作L2~L7層，制作L2和L7層盲孔）。

壓合1（L2/L7層壓合）→棕化3→激光鉆孔→切片分析→退棕化→內(nèi)層沉銅→整板填孔電鍍→切片分析→內(nèi)層圖形→內(nèi)層蝕刻→內(nèi)層AOI→棕化4

（3）第3次壓合（制作L1~L8層，制作L1和L8層盲孔）。

壓合2（L1/8層壓合）→棕化→激光鉆孔→切片分析→退棕化→外層沉銅→整板填孔電鍍→切片分析→減銅→外層鉆孔→外層沉銅→全板電鍍→外層圖形→圖形電鍍→外層AOI→……→正常制作→……

3.2.2 優(yōu)化后流程設(shè)計(jì)

調(diào)整為芯板與芯板壓合，可以起到簡化流程，故對原流程需從新設(shè)計(jì)，新流程設(shè)計(jì)如下：

（1）第一次壓合（制作L3~L6層樹脂塞孔）。

開料→內(nèi)層圖形（L2、L7層盲孔對應(yīng)的銅PAD需掏銅，掏銅直徑比激光鉆直徑小0.075 mm，但比PAD?。鷥?nèi)層蝕刻→內(nèi)層AOI→棕化→壓合（L3/6層壓合）→內(nèi)層圖形1→內(nèi)層AOI1→棕化2

（2）第二次壓合（制作L1~L8層）。

壓合（L1~8層）→鉆激光定位孔→盲孔開窗圖形（開窗直徑與激光鉆咀等大）→盲孔開窗蝕刻→激光鉆孔→切片分析→外層沉銅→整板填孔電鍍（孔內(nèi)銅厚≥20 mm）→切片分析2→外層鍍孔圖形→點(diǎn)鍍填孔電鍍（盲孔填平）→切片分析→退膜→砂帶磨板→外層鉆孔→外層沉銅→全板電鍍→外層圖形→圖形電鍍→外層AOI→……→正常制作→……

3.3 鉆孔孔粗與除膠

3.3.1 制作難點(diǎn)分析

高頻陶瓷板材含有陶瓷和膠體材料，無機(jī)填料偏多，物理特性較脆、較硬，鉆孔時(shí)對刀具的磨損很嚴(yán)重，控制不當(dāng)會出現(xiàn)爆孔、披鋒等異常（表5）。

由一種特殊成分和膠體組成的陶瓷材料，無機(jī)填料偏多，物理特性較脆、較硬，采用傳統(tǒng)的化學(xué)除膠方法（KMnO4+H2SO4）咬蝕效率較低，容易造成除膠不凈問題。

3.3.2 改善措施

鉆孔選用金剛石涂層的刀具，具體改善方法如下：

（1）蓋板、墊板：使用酚醛材料；

（2）孔限設(shè)置：孔限設(shè)置為100孔，以避免基體材料疲勞破壞導(dǎo)致斷刀，同時(shí)調(diào)整鉆孔參數(shù)為如表6。

經(jīng)分析，采用等離子除膠方法除鉆污效果較好。等離子體是物質(zhì)存在的第四種狀態(tài)，帶電的離子撞擊孔壁表面，可以除去表面上附著的鉆污，對不同物質(zhì)的作用均勻，經(jīng)過DOE測試，本產(chǎn)品除鉆污參數(shù)如表7所示，除膠改善前后孔壁效果見圖7所示。

圖7 除膠改善前后孔壁效果圖對比

3.4 盲孔制作

3.4.1 制作難點(diǎn)分析

此板為盲孔疊孔制作，此材料為陶瓷材料，材料惰性相對普通FR-4材料強(qiáng)，更改壓合疊板結(jié)構(gòu)后，要求激光鉆孔制作需一次擊穿兩層介質(zhì)厚度，制作過程中因介質(zhì)太厚，無法一次擊穿，而采用背鉆方式制作，由因?yàn)椴荒軅降讓鱼~，易出現(xiàn)鉆不到目標(biāo)層或傷到底層。

制作此盲孔電鍍，因?yàn)閮蓪用た字苯哟虼?，按原孔徑設(shè)計(jì)，此陶瓷材料code厚度固定為0.1 mm，加上內(nèi)層銅厚，按原激光大小0.15 mm設(shè)計(jì)，電鍍縱橫比過大，已出現(xiàn)盲孔孔無銅等問題。具體見圖8所示。

圖8 盲孔疊孔異常切片圖

3.4.2 改善措施

因盲孔激光鉆孔異常，為改善此類問題，現(xiàn)將疊孔位置L2和L7層在做內(nèi)層圖形時(shí)，將L2和L7層盲孔疊孔位置的銅掏掉，因?yàn)榀B孔L2和L7層客戶設(shè)計(jì)需要與內(nèi)層銅導(dǎo)通連接，故開窗大小設(shè)計(jì)為PAD之間比激光鉆孔孔徑小0.075 mm，保證電鍍內(nèi)層銅與電鍍層能夠連接，因介質(zhì)厚度＞0.2 mm，盲孔設(shè)計(jì)大小為0.25 mm，保證孔徑縱橫比＜1，便于電鍍制作。

電鍍采用整板填孔一次填孔將盲孔填平，外層線路為0.0762 mm/0.0762 mm（3 mil/3 mil）的線，電鍍均勻性的影響，易出現(xiàn)蝕刻不凈等問題，為避免外層蝕刻不凈，分兩步制作，因內(nèi)層激光盲孔PAD開窗0.075 mm，所以內(nèi)層L2-L3和L6-L7層盲孔位置最大0.175 mm，故第一步先采用整板填孔電鍍將內(nèi)層位置盲孔填平；第二部采用點(diǎn)鍍盲孔的方法，將外層盲孔填平，填平后經(jīng)砂帶磨板將生產(chǎn)板磨平，保證板面平整無凹坑。具體改善如圖9所示。

圖9 盲孔疊孔改善后的盲孔切片圖

產(chǎn)品制作效果見圖10所示。

圖10 產(chǎn)品制作效果圖

目前高頻微波材料用于高密度互連板多次壓合制作還不夠成熟，通過我司制作的一款陶瓷材料制作的高頻微波板的制作參考，總結(jié)如下。

（1）高頻微波材料壓合條件比普通FR-4要求高，調(diào)整壓合程式、排板方式等方法，解決了因材料性能問題造成的壓合空洞問題；

（2）高頻陶瓷板材半固化片有陶瓷和膠體構(gòu)成，其半固化片含膠量極低，幾乎為零，銅箔結(jié)合力較差，銅箔的附著力較弱，通過調(diào)整壓合結(jié)構(gòu)，來改善此類問題；

（3）高頻微波板為陶瓷料，物理特性較脆、較硬，采用傳統(tǒng)的化學(xué)除膠方法（KMnO4+H2SO4）咬蝕效率較低，通過增加等離子除膠加大除膠量，同時(shí)通過調(diào)整鉆孔參數(shù)來改善鉆孔孔粗及除膠；

（4）此高頻微波板因半固化片與銅箔壓合，出現(xiàn)氣泡，改為code壓合方式制作，盲孔為疊孔，一次激光，起到優(yōu)化流程的作用，在此過程中減少了棕化、電鍍和外層等工序的制作成本，同時(shí)在現(xiàn)有條件下人工成本和物料成本上升的情況下，能為公司效益提升做出不小的貢獻(xiàn)。