王　偉，周峻松，楊金卓，奚　洋

(南京電子技術研究所，　江蘇 南京 210039)

引　言

近年來，由于多功能雷達、電子戰(zhàn)和通訊系統(tǒng)的迅速發(fā)展，寬帶相控陣天線技術已經(jīng)受到國內外雷達與天線設計、電子對抗等行業(yè)專家的廣泛關注[1]。漸變槽線天線( Tapered Slotline Antenna，TSA)因具備增益高、超寬帶、輻射波束對稱等特點以及具有印刷天線的剖面低、重量輕等優(yōu)點，較多地應用在寬帶相控陣天線系統(tǒng)中[2]。某基于微波多層印制板的新型單極化漸變槽線陣列天線，具有寬帶寬角掃描駐波性能優(yōu)異、剖面低等優(yōu)點。該微波多層印制板天線選用的低介電常數(shù)的微波介質覆銅板基材(Copper-Clad Laminate，CCL)具有Z向熱膨脹系數(shù)高的特性，而基材熱膨脹系數(shù)與金屬化孔之間的匹配一直是印制板制造行業(yè)面臨的技術難題，同時臺階結構設計給層壓工藝提出了更高的要求。本文旨在研究微波多層印制板基材匹配技術和層壓技術，以實現(xiàn)高質量的微波多層印制板制備，同時通過金屬化孔加固技術顯著提高了金屬化孔的可靠性，并將無損檢測技術應用于層壓質量的檢測，為此類印制板制造的工程化提供了更為簡便的實現(xiàn)途徑。

1　天線單元印制板設計

該漸變槽線天線單元印制板為八層板，外層為對稱金屬槽線，中間層為輸入帶狀線。介質基片選用介電常數(shù)ε為 2.2、單層厚度為1.016 mm的Diclad880B材料，粘結片選用較低流動度的熱固性粘結片fastRiseTM27，長度大于600 mm，1～8層均包含數(shù)量眾多的金屬化通孔。

同時為了實現(xiàn)相應的功能，采用了多階臺階結構設計，包含整條的輸入帶狀線部位臺階以及多個焊接部位臺階。上述特征均給印制板的制造提出了更高的要求和挑戰(zhàn)，具體包括：

1)層壓參數(shù)應與基板材料和粘結片匹配，層壓后應具有較高的可靠性；

2)層壓工藝應適應多階臺階加強筋結構[3]，滿足層壓質量；

3)應采取措施避免臺階結構處的溢膠現(xiàn)象；

4)鍍覆孔應具有完整性和良好的可靠性。

2　天線單元印制板制造相關問題探討

該天線單元印制板采用了多種先進PCB制造工藝技術，包括微波多層印制板基材匹配技術、多階臺階結構層壓技術、電鍍通孔(Plating Through Hole, PTH)加固技術、無損檢測技術等。

2.1　微波多層印制板基材匹配技術

ROGERS公司的Diclad 880B基板是一類玻璃纖維編織增強的PTFE復合材料，與具有相似介電常數(shù)的非玻璃纖維編織增強PTFE相比，它具有更好的尺寸穩(wěn)定性。同時，PTFE涂敷玻璃纖維布的一致性使其介電常數(shù)一致性比非玻璃纖維編織增強PTFE基板更佳[4]。

TACONIC公司的fastRiseTM27粘結片，是專門用于高速數(shù)字信號傳輸和毫米波射頻多層印制板制造的材料，能夠滿足低介電損耗的帶狀線結構設計要求。同時，該粘結片材料為熱固性材料，滿足多次層壓要求。另外，該粘結片填充了一定量的陶瓷粉，提高了制品的尺寸穩(wěn)定性。

為了提高上述2種材料組合的層壓質量，使其相互適配，在層壓工藝上進行了優(yōu)化設計。層壓參數(shù)[5]如下：

1)真空層壓；

2)升溫速率為1.5～5.5 ℃/min，保溫溫度為215.5 ℃，樹脂流動窗口控制為80 ℃～150 ℃；

3)初始壓力為0.5 MPa，15 min后施加全壓2.4 MPa；

4)保溫保壓時間為60 min；

5)保壓降溫，降溫速率低于3 ℃/min。

考慮到PTFE的粘彈性，Diclad880B介質基板在快速的溫度變化速率下會產(chǎn)生較大形變，從而引起不同層間應力聚集，采取了較低的升溫和降溫速率(1.5～3 ℃/min)。具體層壓溫度、壓力以及時間關系如圖1所示。層壓后按照IPC-TM-650進行顯微剖切和熱應力測試，結果均符合要求。

圖1　層壓工藝參數(shù)圖

2.2　多階臺階結構層壓技術

從結構設計看，該天線單元印制板疊層設計采用非鏡面對稱形式，存在多階臺階。在層壓過程中需要重點考慮減少由于結構不對稱造成的應力聚集，同時要采取有效的阻膠手段對臺階部位進行處理，避免粘結片膠流動過多造成后道工序加工困難或層間缺膠，甚至報廢。

2.2.1殘余應力的消除

多層板殘余應力又稱熱壓史，從理論上來說，它產(chǎn)生的原因主要有：1)固化反應產(chǎn)生的收縮應力；2)層壓過程中低分子化合物如溶劑、水和液體低分子化合物滯留層壓板內產(chǎn)生的拉應力；3)由PTFE基板材料的樹脂體系、玻纖布、銅箔等主要成分熱膨脹系數(shù)差異導致的應力；4)由非鏡面對稱結構造成的應力[6]。

本文所述天線單元印制板的典型結構特征就是具有非鏡面對稱結構，如圖2所示，除采取常規(guī)工藝措施改善前3種因素帶來的應力外，還要重點考慮由非對稱結構帶來的應力，因此采取增加硅橡膠板敷形材料對壓力進行均衡。長期對印制板層壓后脹縮尺寸數(shù)據(jù)進行的統(tǒng)計表明，采用硅橡膠敷形材料可以較好地控制層間脹縮一致性。

圖2　層壓疊層關系圖

2.2.2臺階結構層壓阻膠技術

臺階結構層壓需要在凹陷部位填充等高的墊片，其目的在于均衡層壓壓力和阻止粘結片膠量流失及污染板面。目前常用的阻膠材料有硅橡膠和PTFE。硅橡膠彈性大，在高溫下有一定的膨脹效應，阻膠效果好，但其尺寸精度不易保證，膨脹過多易影響層壓質量；PTFE加工精度可控，去除方便，可反復使用，阻膠效果較好。

純PTFE板因無增強材料支撐，其線膨脹系數(shù)高于基板材料。同時，為了保證占位區(qū)域邊緣粘結片的樹脂流動及揮發(fā)組分溢出，需要對阻膠區(qū)域的尺寸和阻膠材料的尺寸進行匹配性設計，對PTFE阻膠材料的厚度、均勻性及尺寸精度進行嚴格控制。經(jīng)工藝攻關和長期生產(chǎn)跟蹤，發(fā)現(xiàn)PTFE占位材料在產(chǎn)品中的阻膠效果良好。具體層壓疊板結構如圖2所示。

2.3　天線單元微波多層板PTH加固技術

天線單元微波多層板是PTFE基微波多層板，其孔金屬化應采取與之相對應的等離子活化處理和干法凹蝕工藝，具體方法這里不予詳述。因該微波介質基材的Z向熱膨脹系數(shù)較大，當溫度從室溫25 ℃升至215 ℃的焊接溫度時，若多層板的厚度為2.5 mm，則金屬化孔在Z方向將被拉長76 μm，如果銅層的延展性太小，則孔壁的銅層有可能被拉斷[7]。為了提高金屬化孔的可靠性，該天線單元采用了塞孔技術，如圖3所示。

圖3　PTH加固示意圖

近年來，樹脂塞孔工藝在PCB行業(yè)的應用越來越廣泛，通過對塞孔樹脂和印制板結構特性的充分匹配，可以取得良好的金屬化孔質量[8]，還可有效改善金屬化孔的耐溫度沖擊能力。該天線單元采用導電銀漿塞孔措施后，孔壁耐熱沖擊能力得到了進一步提升，如圖4所示。

2.4　無損檢測技術

天線單元的制造工藝復雜，特殊過程多，生產(chǎn)周期長且制造成本高，無損檢測技術的引入對產(chǎn)品的質量管控、成本控制起到了積極的作用。該天線單元生產(chǎn)中采用的無損檢測技術包含X-RAY檢測及超聲波檢測。其中，超聲波檢測主要應用于多層板的結構完整性、層壓質量、多余物等缺陷的檢測。圖5為用超聲波檢測出的有缺陷的產(chǎn)品。

圖4　塞孔產(chǎn)品溫沖后孔壁金相照片

圖5　超聲波檢測出有缺陷的產(chǎn)品

3　結束語

多項微波多層印制板制造技術的應用解決了低剖面漸變槽線天線單元印制板的制造難題，使得該類天線的工程化具備良好的技術基礎，確保其能夠在武器裝備中可靠應用，發(fā)揮其重要功能。同時，隨著雷達產(chǎn)品集成度需求的進一步提高，微系統(tǒng)技術、微波電路互聯(lián)與制造的新工藝、新技術的不斷涌現(xiàn)和發(fā)展，勢必對微波印制板制造技術提出更高的要求和更大的挑戰(zhàn)，也將促進微波多層印制板制造技術的快速進步和發(fā)展。

參考文獻

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