射頻薄基板加階梯槽襯底工藝研究

白永蘭 郭 權(quán) 任堯儒

（東莞生益電子有限公司，廣東 東莞 523039）

1 前言

隨著通信行業(yè)步入3G時代，射頻線也越來越被廣泛應(yīng)用到PCB中。一般將在空間傳播的頻率從3 k到300 G的電磁波稱為射頻。射頻（RF）電路則是處理信號的電磁波長與電路或器件尺寸處于同一數(shù)量級的電路。

高頻無線微波產(chǎn)品上常使用大功率功放管，在高頻線路上焊接一張襯底銅基可以滿足大功率功率管工作時散熱需要；無線濾波線路設(shè)計可以是平行的線路，也可以是階梯槽，如果是線路時，對線路尺寸精度要求很高，如果是階梯槽時，對階梯槽大小要求很高。該技術(shù)優(yōu)點：（1）更大的銅塊表面積，滿足高散熱的需要；（2）更精確的階梯槽尺寸，保證無線微波信號傳輸過程中最小的損耗；（3）地線層與銅基通過鉆孔相連，保證良好的電信號。

通過對客戶現(xiàn)在和未來產(chǎn)品需求的調(diào)研，以及集團(tuán)技術(shù)情報中心的分析，國家3G牌照已經(jīng)正式下發(fā)，國家已經(jīng)加大投入建造3G基站網(wǎng)絡(luò)，而且根據(jù)對通信電路板的要求：微波損耗較小，介質(zhì)特性均勻，厚度一致，散熱效果好，干燥效果好等，可預(yù)知使用射頻/微波高頻材料＋銅基的PCB需求將進(jìn)一步加大，其原因是高頻材料的損耗小，而又是薄板則其介質(zhì)均勻性，厚度都比較一致，加上底部用銅基板襯底使得整個板的散熱及干燥效果都不錯，同時考慮到無線濾波線路的設(shè)計采用階梯槽濾波，故設(shè)計成射頻PCB－薄基板＋Cavity襯底PCB結(jié)構(gòu)的板市場潛力巨大，值得我們研究開發(fā)。

2 產(chǎn)品設(shè)計

為了滿足微波損耗較小，介質(zhì)特性均勻，厚度一致，散熱效果好，干燥效果好等特點，我們使用射頻薄基板和銅基襯底壓合成PCB，并在PCB上設(shè)計階梯槽濾波，為了使得微波信號傳輸過程中的最小損耗，對階梯槽的尺寸要求非常嚴(yán)格，階梯槽尺寸要求±40 mm。PCB－薄基板＋Cavity襯底PCB具體設(shè)計如圖1。

3 難點分析與實施方案

3.1 難點分析

根據(jù)設(shè)計，為了達(dá)到信號低損耗以及板的可靠性，我們分析其主要影響因素如圖2。

如上所示，客戶設(shè)計是無法更改，而半固化片我們可選用某陶瓷高頻材料，其余三個因素我們需要從影響槽孔尺寸變化，半固化片開槽的補償，盲孔電鍍原理入手，重點研究這三個關(guān)鍵點，

將此三個關(guān)鍵點分解為如下四個技術(shù)點：

（1）銅基階梯槽制作（圖3所示）；

（2）芯板階梯槽制作（圖4所示），芯板階梯槽可以通過激光燒蝕到銅基面；

（3）襯底階梯槽底部流膠控制；

（4）盲孔電鍍。

3.2 實施方案

3.2.1 銅基階梯槽制作

銅基階梯槽的制作方式及相關(guān)因素如圖5。

控深銑制作簡單，但是對設(shè)備要求高，而且其控深銑會傷到介質(zhì)層，但是不存在槽孔內(nèi)底部流膠的問題，綜合考慮后我們選擇了預(yù)開槽一次壓合。

預(yù)開槽壓合我們需對來料尺寸精度控制，通過使用銅基上的地位孔來減少芯板上線路和槽孔的對位精度，槽孔形狀及精度通過設(shè)計不同流程來對比其效果的不同，槽底流膠控制則需半固化片開槽，層壓等進(jìn)行單獨研究（見以下3.2.3）。

襯底銅基由于銅基購買來料尺寸偏差達(dá)±40 mm，為減小電鍍，減薄銅等工序所帶來的尺寸偏差，制作過程中需要對階梯槽采取保護(hù)措施，可采用蝕刻補償法，選擇濕膜法，干膜保護(hù)法，其三種不同方法的試驗結(jié)果見表1。

如上述可知，對銅基槽孔的保護(hù)，我們采用干膜保護(hù)法，設(shè)計流程為：鉆孔→ PTH→外層干膜1→減薄銅→退膜→超聲波水洗1→外層干膜2→圖形電鍍→退膜→超聲波水洗2→外層干膜3→內(nèi)層蝕刻→后續(xù)流程。

其中外層干膜1是為了將銅基階梯槽在沉銅時候沉上的銅蝕刻掉，外層干膜2是將階梯槽給保護(hù)起來不被圖形電鍍，外層干膜3是為了保護(hù)槽孔在制作圖形蝕刻時不對槽孔尺寸造成影響。

3.2.2 芯板階梯槽制作

類似銅基階梯槽制作，我們有如圖6：

控深銑主要還是受設(shè)備影響較大，而預(yù)開槽壓合由于芯板太薄，很難使用硅膠片阻膠且芯板在層壓過程中板的伸縮影響階梯槽的尺寸及形狀，所以我們選擇激光燒蝕。

對于激光燒槽，尺寸精度，位置精度及深度精度容易滿足，現(xiàn)在需要確認(rèn)的是激光燒蝕參數(shù)以及槽孔制作的時間以保證槽底無殘膠與槽底平整，通過實驗來摸索出其合適的激光參數(shù)，具體見實驗方法設(shè)計，對于槽孔制作的時間可以分為兩種方法：（1）外層圖形蝕刻前就把槽孔燒蝕出來；（2）外層圖形制作之后再燒蝕槽孔。

根據(jù)前期的實驗結(jié)果見表2。

如上述，我們選擇蝕刻后進(jìn)行芯板階梯槽的制作。

3.2.3 襯底階梯槽流膠控制

由于階梯槽太?。? mm × 1.9 mm），層壓過程中希望能不使用硅膠片堵膠，而又不讓半固化片樹脂流到階梯槽內(nèi)所以需要對半固化片開槽補償，但半固化片樹脂在層壓中的流動難以預(yù)測，無法確定補償?shù)拇笮?，需通過實驗的方式摸索出合適的大小。通過以往的經(jīng)驗得出半固化片開槽方式：激光燒槽，其具體見下表3。

3.2.4 盲孔電鍍

由于0.2 mm直徑的盲孔使用機械背鉆工藝，背鉆深度控制為0.275 mm ± 0.075 mm，故制作的板厚徑比為1:1.375，按照以往的能力和經(jīng)驗是無法給出一個具體的參數(shù)，我們參考盲孔電鍍的方式，采用低電流高銅缸DC電鍍制作，但是具體參數(shù)需通過實驗得出。

4 實驗設(shè)計

流程設(shè)計

銅基：開料→黑化→轉(zhuǎn)母板；

子板：開料→內(nèi)層干膜→內(nèi)層沖孔→黑化→轉(zhuǎn)母板；

母板：開料→ 激光燒蝕半固化片→層壓 →鑼板邊→陶瓷磨板→背鉆→鉆孔→沉銅→外層干膜1→減薄銅→退膜→超聲波水洗1→外層干膜2→圖形電鍍→退膜→超聲波水洗2→外層干膜3→內(nèi)層蝕刻→激光燒槽→超聲波水洗→化學(xué)鎳鈀金 → 銑板→終檢。

5 實驗過程與結(jié)果

5.1 襯底階梯槽制作

（1）槽孔外觀

用干膜封槽孔法，其效果如圖7。

從圖7中可以看出槽孔孔口邊緣沒有形成階梯，外觀符合要求，但是槽底會零星的沉上金，對此分析可能存在以下原因：

①層壓減銅后未進(jìn)行泡硫脲，使得有鈀離子存在，之后在沉鎳鈀金時沉上金；

②沉鎳鈀金過程中清潔不到位，有藥水殘留，使得易在槽孔角落沉上金。

針對如上原因采取的措施：

①層壓減銅后增加泡硫脲流程；

②沉鎳鈀金過程中掛板稍微傾斜，讓槽孔內(nèi)的藥水容易被清洗出來。

（2）槽孔尺寸大小

來料尺寸為3.08 mm × 1.53 mm，公差為±40 mm，槽孔經(jīng)過沉銅，減薄銅，沉鎳鈀金后槽孔尺寸會有所變化，具體理論變化見表4。

由于來料比原稿單邊小10 mm，即原稿要求尺寸是3.1 mm × 1.55 mm，所以鎳鈀金后的尺寸符合公差為±40 mm的要求。雖然這里尺寸符合要求，但是鎳鈀金后本應(yīng)該比來料尺寸小，可實際卻大40 mm，此為來料存在問題。

表4

5.2 芯板階梯槽制作

（1）激光燒槽參數(shù)的確定

芯板階梯槽需要使用激光燒蝕到銅基上面，燒蝕厚度為0.2 mm(8 mil)，由于采用陶瓷材料，燒蝕方式使用4#鉆機TOP-HAT模式生產(chǎn)，各種參數(shù)燒蝕結(jié)果如表6。

根據(jù)圖片可知槽內(nèi)無剩余樹脂，燒蝕效果ok，所以將激光燒槽孔的相關(guān)參數(shù)固定為：使用4#鉆機TOP-HAT模式生產(chǎn)，燒蝕參數(shù)為18/9×3/1，燒蝕后無需去膠渣。

（2）尺寸控制

芯板階梯槽制作是在蝕刻后采用激光燒槽，為了達(dá)到階梯槽孔尺寸公差+/-40 mm，我們使用激光鉆帶和客戶1:1制作，因為考慮激光鉆孔0.0127 mm（0.5 mil）的精度偏差，故蝕刻后開窗需比槽孔單邊大0.05 mm（2 mil），又因為側(cè)蝕的原因，所以菲林制作單邊小0.066 mm（2.6 mil）制作。取芯板上尺寸為2.426×4.612的槽孔進(jìn)行測量數(shù)據(jù)如表7。

從表7中可知：

①蝕刻后槽孔的尺寸比原稿理論單邊小15 mm，得之蝕刻補償過大；

②燒槽后有一邊平均比蝕刻開窗的要大，可能原因是激光將槽兩邊的少許銅給燒蝕（開窗比激光鉆帶范圍?。?，另一邊比開窗小，可能是由于激光對位造成；

（3）沉鎳鈀金后槽孔寬度符合要求，長度不符合要求。

針對上述原因可采取以下措施加以改善：

①修改蝕刻菲林補償系數(shù)，將開窗與原稿1:1等大制作，蝕刻出來槽孔將比原稿單邊大0.05 mm（2 mil）；

②防止和減少板的翹曲變形。

5.3 襯底流膠控制

通過實驗對比不同開槽補償和塞硅膠片的效果，希望能找到適合的參數(shù)，參數(shù)設(shè)計如表7。

從表7可知，不同尺寸的補償都有流膠的出現(xiàn)，如果增大半固化片開槽補償?shù)某叽绾苡锌赡軙诓劭椎撞看嬖诳斩?，實驗對于襯底流膠還需采用塞硅膠片才能得到很好控制。

5.4 盲孔電鍍

根據(jù)之前確定的采用低電流高銅缸DC電鍍制作，設(shè)計不同參數(shù)如表8。

表7

由上述情況，可知參數(shù)1的電流大，但是時間短導(dǎo)致銅厚不能滿足要求；參數(shù)2雖然電流小，總時間短，但是單次時間較長，單次電鍍后期孔內(nèi)藥水交換不足，使得容易封孔，而且整體時間不夠，銅厚也不滿足要求；參數(shù)3可以滿足我們的要求。

5.5 可靠性測試（表9）

由上可知道熱應(yīng)力可靠性能滿足要求，但是盲孔內(nèi)沉鎳鈀金難度大。

6 總結(jié)

（1）芯板階梯槽的尺寸控制

采用激光燒槽的方式來控制槽孔尺寸精度，和歐洲采用控深銑一樣能夠達(dá)到+/40 mm的精度要求，在一定程度上彌補控深銑精度不足的缺陷，但采用激光燒槽對開窗的補償和對位的要求較高。

（2）襯底階梯槽的制作

制作過程中要保護(hù)好槽孔的尺寸以及孔型，相對歐洲直接采用控深銑的方式，我們能夠很好的留徑，但是對來料的尺寸精度、補償和生產(chǎn)過程的要求較高，以及會有層壓槽孔流膠的控制問題。

（3）槽底流膠控制

流膠采用塞硅膠片的方式可以解決。

（4）盲孔深鍍

0.2 的機械盲孔電鍍后孔內(nèi)銅厚單點要達(dá)18 mm，平均要達(dá)20 mm，且不能影響沉鎳鈀金。通過多次實驗，我們得出能夠采用直流電鍍就能滿足要求的方案。

[1]白蓉生等. 線路板解惑[M]. 2004.

[2]上海美維科技有限公司培訓(xùn)中心教材出版.

[3]東莞生益電子有限公司歷年獲獎?wù)撐募痆C].