高頻印制板對關(guān)鍵材料及工藝技術(shù)的要求

寧敏潔 何 驍 周 波 周 亮

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610）

1 背景

5G（第五代移動通信技術(shù)）的到來對于印制電路板（PCB）制造業(yè)來講亦是一場劃時代的革新。5G的頻率，既包括6 GHz以下（Sub-6G）的低頻頻率，也包含6 GHz以上的毫米波頻段。毫米波本身的傳播距離相對于低頻段會顯著降低，基站數(shù)量需要大幅增加才能實現(xiàn)大規(guī)模的覆蓋，這為PCB行業(yè)帶來巨大的市場機遇。目前行業(yè)預測5G基站數(shù)量將會達到4G時代的2倍，用于5G基站天線的高頻印制板的用量將是4G的數(shù)倍。5G通信系統(tǒng)各硬件模塊可能用到的PCB產(chǎn)品及特性見表1，可以看出，通信用PCB將朝大尺寸、高密度、高頻高速低損耗、高低頻混壓、剛撓結(jié)合等方向發(fā)展[1][2][3]。其中，高頻微波板承載的工作頻率相比之前四代通信技術(shù)顯著提升，對所用到的材料和工藝技術(shù)將提出全新的挑戰(zhàn)，本文針對高頻PCB用銅箔、基板材料、玻纖等主要材料，以及圖形精度控制、高頻板材平面電阻制作技術(shù)、密集孔成孔技術(shù)、孔金屬化前處理技術(shù)、背鉆技術(shù)、混壓技術(shù)、等關(guān)鍵工藝技術(shù)方面的新要求進行介紹。

2 高頻印制板關(guān)鍵材料

2.1 銅箔

銅箔所形成的導體是用來傳輸信號的，隨著信號頻率的增大，高頻信號在傳輸線的銅箔表面產(chǎn)生的“趨膚效應(yīng)”越來越顯著，如表2所示，當信號為10G時，其信號在導線表面的傳輸厚度為0.66 μm左右，也就是說信號傳輸僅在粗糙度的厚度范圍內(nèi)進行，那么必然產(chǎn)生嚴重的信號“駐波”和“反射”等，使信號造成損失，甚至形成嚴重或完全失真。銅箔表面越粗糙，信號損耗隨之增大，因此，高頻PCB對于銅箔的應(yīng)用會更趨向于表面低粗糙度的超低輪廓電解銅箔。

表1 通信設(shè)備與印制板技術(shù)

表2 各工作頻率下信號傳輸?shù)内吥w深度

2.2 基板材料

根據(jù)基板材料構(gòu)成分類，高頻PCB基板材料類型基本可分為樹脂體系（PTFE樹脂、PPO樹脂、LCP樹脂、聚酰亞胺樹脂及其他耐高溫熱塑性樹脂）、玻璃纖維增強型體系和陶瓷粉填充體系。目前應(yīng)用較多的高頻基板材料主要為PTFE熱塑性樹脂系列、陶瓷粉填充PTFE樹脂體系和陶瓷粉填充熱固性樹脂系列。常見的高頻基板材料類型及介電性能如表3所示[1]。PTFE樹脂系列在國內(nèi)外的軍事、航空、航天等領(lǐng)域，已有十多年的實際應(yīng)用經(jīng)驗，在民用通訊領(lǐng)域，隨著毫米波頻譜資源的逐步開放，預計需求將會越來越大。

高頻基板材料需要更低的介電損耗和介電常數(shù)，厚度選擇上也趨于更薄，一般介質(zhì)層厚度應(yīng)小于等于信號傳輸波長的1/8，例如以1 GHz頻率的信號（其波長為300 mm）來計算，介質(zhì)層的厚度應(yīng)≤37.5 mm；對于Sub-6 GHz材料介電常數(shù)Dk在3～3.7，介質(zhì)損耗Df＜0.004；而毫米波頻段的電子產(chǎn)品對材料介質(zhì)損耗更為敏感，要求Df＜0.002，厚度要小于254 μm，如表4所示[4]。

表3 部分高頻基板材料類型及介電性能

表4 高頻材料不同頻段電性能對比表

近期研究熱點還包括LCP（液晶高分子聚合物）類材料，LCP分子鏈剛性高，不需填充玻纖，在高頻段的介電損耗小，各向異性使其具有高強度、高模量、突出的耐熱性能、優(yōu)異的耐冷熱交變性能，在電子產(chǎn)品中FPCB應(yīng)用中有著很強的優(yōu)勢[5][6]。日本松下公司RF705系列LCP基板產(chǎn)品性能見表5。

2.3 玻璃纖維布

玻璃纖維布作為PCB在X-Y方向上的機械增強材料，填充在樹脂內(nèi)部，添加后能增加板材結(jié)構(gòu)強度，有利于提高板材的機械穩(wěn)定性。但是玻纖的存在會導致材料不同位置出現(xiàn)不同的介電常數(shù)（Dk）。這種Dk的變化是由玻璃布特有的物理交織結(jié)構(gòu)造成的，發(fā)生在很小的區(qū)域且以周期性的方式呈現(xiàn)，一般，玻璃布或玻璃纖維的Dk約為6，而開口空隙區(qū)域的Dk由材料樹脂體系的Dk值決定；兩束玻纖相互交疊時，此時的Dk值最大；開口空隙區(qū)域沒有玻纖的存在，此時的Dk值最??；單束玻纖存在時，Dk值居中。

當含有此類玻璃布的材料僅應(yīng)用于低頻時，由于信號波長較長，幾乎對電路性能不會造成影響，但當材料應(yīng)用于高頻毫米波頻率時，電路的性能就會受到一定影響。如Dk為3.0、厚度為0.127 mm（5 mil）的電路材料，當此材料應(yīng)用于77 GHz毫米波電路時，所設(shè)計的50Ω微帶線的寬度就是0.305 mm（12 mil），而與玻璃布的交疊與空隙開口非常接近，當微帶線分別處于玻纖束或空隙上方時，Dk的不同會引起一個電路與另一個電路之間的阻抗存在差異，從而影響信號的一致性。在選用玻纖布時應(yīng)考慮玻纖布的編織數(shù)量、類型、是否為低損耗玻纖布。根據(jù)玻纖布的規(guī)格，一般選取編織較密集結(jié)構(gòu)來降低玻纖效應(yīng)帶來的影響。玻纖布編織間隙較大的結(jié)構(gòu)，板材廠商會對玻纖進行扁平化處理，即將玻纖壓縮展開來減小兩玻纖束之間的間隙。常規(guī)E型玻纖布介電常數(shù)偏高，限制了其在高頻高速領(lǐng)域的應(yīng)用，選取低介電常數(shù)的玻纖布也是降低板材介電常數(shù)的有效途徑[7]。

3 高頻印制板關(guān)鍵工藝技術(shù)

高頻PCB制程中關(guān)鍵工藝技術(shù)有圖形精度控制、平面電阻制作、密集孔成孔技術(shù)、孔金屬化前處理、背鉆、高頻高速混壓和板材漲縮控制等。高頻PCB其加工難度會更大，這給制程能力帶來更大的挑戰(zhàn)，下面就高頻PCB關(guān)鍵工藝技術(shù)進行介紹。

3.1 圖形精度控制

高頻PCB線路傳輸?shù)氖歉咚匐娒}沖信號，導線上劃傷、缺口、針孔、凹坑等缺陷都不允許，特別是線路越來越精細化的方向發(fā)展，其精度控制要求也越來越嚴格。高頻PCB的線路精度要求是±0.02 mm以及±0.015 mm時，通過對圖形制作過程中的貼膜參數(shù)、曝光能量及定位方式等參數(shù)控制可以實現(xiàn)，但當線路精度要求提高到±10 μm甚至±1 μm時管控難度將顯著增加，不僅關(guān)系到生產(chǎn)來料、設(shè)備能力及環(huán)境要求等因素，還需進行產(chǎn)前的研發(fā)及鑒定，來保證產(chǎn)品質(zhì)量。

表5 LCP射頻基板材料性能比較

線路精度上道工序關(guān)鍵影響因素是鍍銅的均勻性，一般面銅厚度極差控制在8 μm以內(nèi)，優(yōu)者可控制到5 μm以內(nèi)，水平電鍍線銅厚可控制在3 μm以內(nèi)，銅厚極差越小對圖形精度的控制越有利。傳統(tǒng)的曝光設(shè)備對位精度為±25 μm，層間對位精度大于50 μm，LDI（激光直接成像）設(shè)備對位精度提升至10 μm以內(nèi)，層間對位精度小于20 μm。

3.2 平面電阻制作

電阻類高頻板材目前應(yīng)用的為ROGERS公司產(chǎn)品將Ohmega公司提供的Ohmega-Ply膜電阻（Ni/P合金膜）層壓到其高頻覆銅板基材內(nèi)，即平面電阻位于PCB介質(zhì)層和銅箔之間，厚度根據(jù)方阻不同有0.1 μm（50Ω）、0.05 μm（100Ω）等。PCB中平面電阻通過圖形轉(zhuǎn)移的方式制作，其圖形精度直接影響電阻值的精度，一般精度可控制到±10%以內(nèi)。依據(jù)膜電阻成型原理，阻值越大，電阻圖形寬度越小，線路精度也越難以控制。印制板生產(chǎn)過程中平面電阻的工藝流程如下：

下料→貼膜→曝光→顯影→檢驗→蝕刻銅層→蝕刻電阻層→褪膜→清洗→貼膜→曝光、顯影→檢驗→酸洗→蝕刻銅層→清洗檢驗→退膜→清洗→檢驗

電阻圖形的制作經(jīng)過多道工序，各個工序生產(chǎn)過程中的蝕刻液參數(shù)、圖形制作精度、周轉(zhuǎn)過程中板面彎折等都會造成阻值精度不良。在生產(chǎn)前就要進行提前干預管控，如CAM設(shè)計時對線路進行合理補償、設(shè)備輥輪壓力調(diào)至標準范圍值、周轉(zhuǎn)過程借助工裝等，嚴格控制每個環(huán)節(jié)來確保阻值精度。

對于埋置平面薄膜電阻的多層PCB，層壓過程也會對平面電阻阻值產(chǎn)生較大影響。在生產(chǎn)過程中需要設(shè)計電阻附聯(lián)圖形，層壓完成后對附聯(lián)圖形進行電阻阻值測試。如設(shè)計要求電阻誤差范圍為±5%，層壓后測試電阻值數(shù)據(jù)顯示阻值降低了約10%左右，對應(yīng)管控措施是在電阻圖形INCAM補償時，將原來要求阻值提高10%左右，能有效控制電阻值精度，合格率可達90%以上。

3.3 密集孔成孔技術(shù)

對于高密度、小間距的密集孔，如孔徑為0.50 mm或以下、孔數(shù)超過1000個，孔間距為1.2 mm或更小，按照常規(guī)方法鉆孔時鉆屑不易排出，產(chǎn)生的熱量不能及時散去也會導致鉆屑發(fā)生融化、粘附在孔壁，難以保證品質(zhì)，冷卻后便形成大量膠渣，當粘附的鉆屑量較大時便會出現(xiàn)堵孔，后續(xù)很難用高壓水沖洗去除，對印制電路板的可靠性帶來風險。應(yīng)對措施是及時更換鉆頭鉆孔，避免鉆刀磨損、排屑不良等導致孔壁粗糙、熱量集中等問題；根據(jù)板材類型適當升高鉆機吸塵吸壓，增大鉆孔排屑量；鉆孔蓋板采用涂覆樹脂板代替常規(guī)鋁蓋板，利用涂覆蓋板表現(xiàn)樹脂吸熱熔融特性，及時吸收鉆孔過程中的熱量，促進鉆污排出；鉆孔方式采用跳鉆工藝，避開常規(guī)順序鉆孔，將跳鉆距離根據(jù)實際密集孔設(shè)計適當增加，每隔2～3個孔進行跳鉆，避免臨近孔連續(xù)受到鉆頭高速切屑、摩擦、拉扯，出現(xiàn)熱應(yīng)力集中、鉆屑堵孔等問題[9]。

3.4 孔金屬化前處理

高頻基材中的增強型聚四氟乙烯和填充陶瓷聚四氟乙烯不易潤濕，孔金屬化前需去除鉆污、咬蝕基材表面。傳統(tǒng)FR-4板材普遍采用的高錳酸鉀化學除膠法在處理高頻基材時咬蝕效率較低，鉆污不能完全去除，因此，一般采用等離子機去除高頻PCB孔壁鉆污，其原理是首先用氮氣等離子體對數(shù)鉆孔壁進行清潔并預熱印制板；然后用氧氣和四氟化碳的混合氣體等離子體與樹脂化合物、玻纖布反應(yīng)達到咬蝕的目的；最后用氧氣等離子體除去孔壁灰塵[8]。等離子去鉆污后再對孔壁進行金屬化處理，孔壁質(zhì)量明顯提升。表6為一種PTFE材料進行等離子循環(huán)處理的參數(shù)條件，此方法處理的PTFE材料應(yīng)在12 h內(nèi)進入下一道工序，若超出此時間需重新進行等離子處理。

3.5 背鉆

當電路信號的頻率增加到一定程度后，印制板中的導通孔PTH中無用的孔銅部分將成為信號完整的障礙，對信號傳輸產(chǎn)生傷害，在傳輸線中猶如一條多余的“尾巴”（Stub），引起信號失真[9]。解決此類問題的常規(guī)方法是使用背鉆技術(shù)，即通過二次鉆孔的方式，利用一個直徑大于孔徑的鉆頭將不需要的金屬化孔壁鉆除，背鉆后殘留的Stub長度越短，對信號傳輸?shù)耐暾栽接欣?/p>

背鉆工藝過程中，易出現(xiàn)堵孔、孔內(nèi)披鋒、孔內(nèi)有銅絲、斷鉆等缺陷。改善措施是選取合適角度背鉆頭、設(shè)置匹配參數(shù)，背鉆完后再進行外層蝕刻，利用蝕刻藥水去除孔內(nèi)銅絲及披鋒，后續(xù)高壓水洗沖洗孔內(nèi)鉆污。

3.6 混壓

多層高頻PCB設(shè)計，基于成本節(jié)約、提高彎曲強度、實現(xiàn)射頻信號、電源信號及波控信號的集成以及電磁干擾控制等因素，常以混壓板形式出現(xiàn)。如高速層L1-L12層為高Tg環(huán)氧板材，高頻信號層L13～L16層為高頻板材，此類高速高頻PCB結(jié)構(gòu)設(shè)計不對稱易造成板面翹曲（平整度精度為±0.05 mm）、層間重合精度超標、混壓交界面凹陷等問題。解決措施有：（1）對疊板方式進行優(yōu)化，例如將L5-L6層拆分成L5-D6、D7-L8層，中心位置板厚對稱方式層壓有利于應(yīng)力釋放，避免板面翹曲，如圖1所示；層壓時采取提前預壓、適當延長冷壓時間，降低層壓后出板溫度；（2）對于高多層PCB的層間重合度控制，要保證單片圖形的精度（如采用高精度LDI成像技術(shù)）；采取多種定位方式相結(jié)合等確保定位精度要求；在印制電路板整張坯料中，中部區(qū)域的平整度較邊緣要好，在拼版設(shè)計方面單件盡量居中；層壓過程根據(jù)混壓板材特性選取合適升溫程序，避免升溫速率過快或過慢引起板材出現(xiàn)較大漲縮；（3）半固化片選取低流動度含膠量適中的材料，改善混壓時內(nèi)層半固化片溢膠填充質(zhì)量。

圖1 疊板優(yōu)化示例圖

3.7 漲縮控制

高頻聚四氟乙烯熱塑性樹脂體系特性，決定了其二維尺寸穩(wěn)定性不能滿足較高位置精度的加工要求，對于高頻板材的漲縮控制可采取的方式主要有四槽定位、鉚釘定位及后定位方式。各個定位方式如圖2所示，采用較多的定位方式是四槽定位，易于操作，但是對PCB尺寸有局限性，較大尺寸的多層板由于超出了四槽定位模具系統(tǒng)能力范圍，便選用鉚釘定位方式，此定位方式在層壓結(jié)束后，再進行X-Ray鉆靶機測漲縮值，根據(jù)漲縮數(shù)據(jù)利用INCAM軟件補償漲縮值后再進行數(shù)鉆加工；當板材漲縮變形較大時可考慮采用后定位方式，即在數(shù)鉆完成后再進行漲縮測量，根據(jù)圖形制作前的漲縮值進行圖形定位孔的程序調(diào)整并數(shù)鉆加工出后定位孔，基于后定位孔位置再進行圖形的制作，如高頻任意層互聯(lián)PCB圖形制作可采用此方式。對于復雜高多層PCB亦采用多種定位方式混合并結(jié)合阻膠占位的方式，確保PCB的對位精度及壓合受力的均勻性。多層PCB在單片孔化、層壓后均需設(shè)置幾組測試孔，后期通過三坐標測試系統(tǒng)對變形量進行測量，收集數(shù)據(jù)，計算出同類單片普遍的變形量。在進行制板等工序加工時，針對漲縮，假定單片變形量一致，并在設(shè)計容忍公差范圍內(nèi)，可根據(jù)變形數(shù)據(jù)經(jīng)驗值調(diào)整模版，使焊盤與實測孔位重合，再套用四槽定位系統(tǒng)繪制模版后制作圖形。在層壓后制作外層圖形時，需二次測量漲縮值，調(diào)整參數(shù)進行外層圖形制作，如圖3所示。

表6 某PTFE材料表面等離子處理參數(shù)條件

圖2 高頻多層板定位方式列表

圖3 孔化塞孔后漲縮測試孔示意圖

表7 線路漲縮數(shù)據(jù)收集

如表7所示為漲縮數(shù)據(jù)，根據(jù)層壓漲縮數(shù)據(jù)顯示，X方向漲縮在±0.2 mm以內(nèi)，Y方向漲縮在±0.1 mm以內(nèi)，根據(jù)此漲縮數(shù)據(jù)，CAM進行外層模版漲縮調(diào)整，調(diào)整后的模版數(shù)據(jù)再進行繪制，最大限度管控多層PCB的重合精度。

4 小結(jié)

綜上所述，5G時代，隨著高頻印制板的需求與日俱增，PCB在材料及工藝技術(shù)方面面臨的挑戰(zhàn)也會更大，基板材料、銅箔及玻纖的選擇朝著高頻、低損耗方面不斷發(fā)展，關(guān)鍵工藝過程的控制需要更加精細和嚴格，同時也要在不斷實踐過程中逐漸積累工程經(jīng)驗，沉淀關(guān)鍵參數(shù)，才能為生產(chǎn)出高質(zhì)量高頻PCB奠定基礎(chǔ)。