白永蘭 郭 權(quán) 任堯儒
(東莞生益電子有限公司,廣東 東莞 523039)
隨著通信行業(yè)步入3G時(shí)代,射頻線也越來(lái)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(chēng)為射頻。射頻(RF)電路則是處理信號(hào)的電磁波長(zhǎng)與電路或器件尺寸處于同一數(shù)量級(jí)的電路。
高頻無(wú)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(mǎn)足大功率功率管工作時(shí)散熱需要;無(wú)線濾波線路設(shè)計(jì)可以是平行的線路,也可以是階梯槽,如果是線路時(shí),對(duì)線路尺寸精度要求很高,如果是階梯槽時(shí),對(duì)階梯槽大小要求很高。該技術(shù)優(yōu)點(diǎn):(1)更大的銅塊表面積,滿(mǎn)足高散熱的需要;(2)更精確的階梯槽尺寸,保證無(wú)線微波信號(hào)傳輸過(guò)程中最小的損耗;(3)地線層與銅基通過(guò)鉆孔相連,保證良好的電信號(hào)。
通過(guò)對(duì)客戶(hù)現(xiàn)在和未來(lái)產(chǎn)品需求的調(diào)研,以及集團(tuán)技術(shù)情報(bào)中心的分析,國(guó)家3G牌照已經(jīng)正式下發(fā),國(guó)家已經(jīng)加大投入建造3G基站網(wǎng)絡(luò),而且根據(jù)對(duì)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(gè)板的散熱及干燥效果都不錯(cuò),同時(shí)考慮到無(wú)線濾波線路的設(shè)計(jì)采用階梯槽濾波,故設(shè)計(jì)成射頻PCB-薄基板+Cavity襯底PCB結(jié)構(gòu)的板市場(chǎng)潛力巨大,值得我們研究開(kāi)發(fā)。
為了滿(mǎn)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(diǎn),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(jì)階梯槽濾波,為了使得微波信號(hào)傳輸過(guò)程中的最小損耗,對(duì)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(jì)如圖1。
根據(jù)設(shè)計(jì),為了達(dá)到信號(hào)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(hù)設(shè)計(jì)是無(wú)法更改,而半固化片我們可選用某陶瓷高頻材料,其余三個(gè)因素我們需要從影響槽孔尺寸變化,半固化片開(kāi)槽的補(bǔ)償,盲孔電鍍?cè)砣胧?,重點(diǎn)研究這三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn),
將此三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)分解為如下四個(gè)技術(shù)點(diǎn):
(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(guò)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。
3.2.1 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(jiǎn)單,但是對(duì)設(shè)備要求高,而且其控深銑會(huì)傷到介質(zhì)層,但是不存在槽孔內(nèi)底部流膠的問(wèn)題,綜合考慮后我們選擇了預(yù)開(kāi)槽一次壓合。
預(yù)開(kāi)槽壓合我們需對(duì)來(lái)料尺寸精度控制,通過(guò)使用銅基上的地位孔來(lái)減少芯板上線路和槽孔的對(duì)位精度,槽孔形狀及精度通過(guò)設(shè)計(jì)不同流程來(lái)對(duì)比其效果的不同,槽底流膠控制則需半固化片開(kāi)槽,層壓等進(jìn)行單獨(dú)研究(見(jiàn)以下3.2.3)。
襯底銅基由于銅基購(gòu)買(mǎi)來(lái)料尺寸偏差達(dá)±40 mm,為減小電鍍,減薄銅等工序所帶來(lái)的尺寸偏差,制作過(guò)程中需要對(duì)階梯槽采取保護(hù)措施,可采用蝕刻補(bǔ)償法,選擇濕膜法,干膜保護(hù)法,其三種不同方法的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。
如上述可知,對(duì)銅基槽孔的保護(hù),我們采用干膜保護(hù)法,設(shè)計(jì)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(shí)候沉上的銅蝕刻掉,外層干膜2是將階梯槽給保護(hù)起來(lái)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(shí)不對(duì)槽孔尺寸造成影響。
3.2.2 芯板階梯槽制作
類(lèi)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(kāi)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(guò)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(duì)于激光燒槽,尺寸精度,位置精度及深度精度容易滿(mǎn)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(shí)間以保證槽底無(wú)殘膠與槽底平整,通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)摸索出其合適的激光參數(shù),具體見(jiàn)實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì),對(duì)于槽孔制作的時(shí)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(lái);(2)外層圖形制作之后再燒蝕槽孔。
根據(jù)前期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(guò)程中希望能不使用硅膠片堵膠,而又不讓半固化片樹(shù)脂流到階梯槽內(nèi)所以需要對(duì)半固化片開(kāi)槽補(bǔ)償,但半固化片樹(shù)脂在層壓中的流動(dòng)難以預(yù)測(cè),無(wú)法確定補(bǔ)償?shù)拇笮?,需通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式摸索出合適的大小。通過(guò)以往的經(jīng)驗(yàn)得出半固化片開(kāi)槽方式:激光燒槽,其具體見(jiàn)下表3。
3.2.4 盲孔電鍍
由于0.2 mm直徑的盲孔使用機(jī)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(yàn)是無(wú)法給出一個(gè)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(guò)實(shí)驗(yàn)得出。
流程設(shè)計(jì)
銅基:開(kāi)料→黑化→轉(zhuǎn)母板;
子板:開(kāi)料→內(nèi)層干膜→內(nèi)層沖孔→黑化→轉(zhuǎn)母板;
母板:開(kāi)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。
(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(méi)有形成階梯,外觀符合要求,但是槽底會(huì)零星的沉上金,對(duì)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(shí)沉上金;
②沉鎳鈀金過(guò)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(duì)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(guò)程中掛板稍微傾斜,讓槽孔內(nèi)的藥水容易被清洗出來(lái)。
(2)槽孔尺寸大小
來(lái)料尺寸為3.08 mm × 1.53 mm,公差為±40 mm,槽孔經(jīng)過(guò)沉銅,減薄銅,沉鎳鈀金后槽孔尺寸會(huì)有所變化,具體理論變化見(jiàn)表4。
由于來(lái)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(lái)料尺寸小,可實(shí)際卻大40 mm,此為來(lái)料存在問(wèn)題。
表4
(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(jī)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(wú)剩余樹(shù)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(jī)TOP-HAT模式生產(chǎn),燒蝕參數(shù)為18/9×3/1,燒蝕后無(wú)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(hù)1:1制作,因?yàn)榭紤]激光鉆孔0.0127 mm(0.5 mil)的精度偏差,故蝕刻后開(kāi)窗需比槽孔單邊大0.05 mm(2 mil),又因?yàn)閭?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(cè)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(bǔ)償過(guò)大;
②燒槽后有一邊平均比蝕刻開(kāi)窗的要大,可能原因是激光將槽兩邊的少許銅給燒蝕(開(kāi)窗比激光鉆帶范圍?。硪贿叡乳_(kāi)窗小,可能是由于激光對(duì)位造成;
(3)沉鎳鈀金后槽孔寬度符合要求,長(zhǎng)度不符合要求。
針對(duì)上述原因可采取以下措施加以改善:
①修改蝕刻菲林補(bǔ)償系數(shù),將開(kāi)窗與原稿1:1等大制作,蝕刻出來(lái)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。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比不同開(kāi)槽補(bǔ)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(jì)如表7。
從表7可知,不同尺寸的補(bǔ)償都有流膠的出現(xiàn),如果增大半固化片開(kāi)槽補(bǔ)償?shù)某叽绾苡锌赡軙?huì)在槽孔底部存在空洞,實(shí)驗(yàn)對(duì)于襯底流膠還需采用塞硅膠片才能得到很好控制。
根據(jù)之前確定的采用低電流高銅缸DC電鍍制作,設(shè)計(jì)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(shí)間短導(dǎo)致銅厚不能滿(mǎn)足要求;參數(shù)2雖然電流小,總時(shí)間短,但是單次時(shí)間較長(zhǎng),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(shí)間不夠,銅厚也不滿(mǎn)足要求;參數(shù)3可以滿(mǎn)足我們的要求。
由上可知道熱應(yīng)力可靠性能滿(mǎn)足要求,但是盲孔內(nèi)沉鎳鈀金難度大。
(1)芯板階梯槽的尺寸控制
采用激光燒槽的方式來(lái)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(bǔ)控深銑精度不足的缺陷,但采用激光燒槽對(duì)開(kāi)窗的補(bǔ)償和對(duì)位的要求較高。
(2)襯底階梯槽的制作
制作過(guò)程中要保護(hù)好槽孔的尺寸以及孔型,相對(duì)歐洲直接采用控深銑的方式,我們能夠很好的留徑,但是對(duì)來(lái)料的尺寸精度、補(bǔ)償和生產(chǎn)過(guò)程的要求較高,以及會(huì)有層壓槽孔流膠的控制問(wèn)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(jī)械盲孔電鍍后孔內(nèi)銅厚單點(diǎn)要達(dá)18 mm,平均要達(dá)20 mm,且不能影響沉鎳鈀金。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn),我們得出能夠采用直流電鍍就能滿(mǎn)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(jiǎng)?wù)撐募痆C].