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(dòng)通信技術(shù)）的到來對(duì)于印制電路板（PCB）制造業(yè)來講亦是一場劃時(shí)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(duì)于低頻段會(huì)顯著降低，基站數(shù)量需要大幅增加才能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的覆蓋，這為PCB行業(yè)帶來巨大的市場機(jī)遇。目前行業(yè)預(yù)測5G基站數(shù)量將會(huì)達(dá)到4G時(shí)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(duì)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(duì)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(jìn)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(dǎo)體是用來傳輸信號(hào)的，隨著信號(hào)頻率的增大，高頻信號(hào)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(dāng)信號(hào)為10G時(shí)，其信號(hào)在導(dǎo)線表面的傳輸厚度為0.66 μm左右，也就是說信號(hào)傳輸僅在粗糙度的厚度范圍內(nèi)進(jìn)行，那么必然產(chǎn)生嚴(yán)重的信號(hào)“駐波”和“反射”等，使信號(hào)造成損失，甚至形成嚴(yán)重或完全失真。銅箔表面越粗糙，信號(hào)損耗隨之增大，因此，高頻PCB對(duì)于銅箔的應(yīng)用會(huì)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(hào)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?zé)崴苄詷渲⒉ＡЮw維增強(qiáng)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(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，在民用通訊領(lǐng)域，隨著毫米波頻譜資源的逐步開放，預(yù)計(jì)需求將會(huì)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(hào)傳輸波長的1/8，例如以1 GHz頻率的信號(hào)（其波長為300 mm）來計(jì)算，介質(zhì)層的厚度應(yīng)≤37.5 mm；對(duì)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(duì)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(duì)比表

近期研究熱點(diǎn)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(qiáng)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(qiáng)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(jī)械增強(qiáng)材料，填充在樹脂內(nèi)部，添加后能增加板材結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，有利于提高板材的機(jī)械穩(wěn)定性。但是玻纖的存在會(huì)導(dǎo)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(shí)，此時(shí)的Dk值最大；開口空隙區(qū)域沒有玻纖的存在，此時(shí)的Dk值最?。粏问＠w存在時(shí)，Dk值居中。

當(dāng)含有此類玻璃布的材料僅應(yīng)用于低頻時(shí)，由于信號(hào)波長較長，幾乎對(duì)電路性能不會(huì)造成影響，但當(dāng)材料應(yīng)用于高頻毫米波頻率時(shí)，電路的性能就會(huì)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(dāng)此材料應(yīng)用于77 GHz毫米波電路時(shí)，所設(shè)計(jì)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(dāng)微帶線分別處于玻纖束或空隙上方時(shí)，Dk的不同會(huì)引起一個(gè)電路與另一個(gè)電路之間的阻抗存在差異，從而影響信號(hào)的一致性。在選用玻纖布時(shí)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(huì)對(duì)玻纖進(jìn)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(huì)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(jìn)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(hào)，導(dǎo)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(xì)化的方向發(fā)展，其精度控制要求也越來越嚴(yán)格。高頻PCB的線路精度要求是±0.02 mm以及±0.015 mm時(shí)，通過對(duì)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(shí)現(xiàn)，但當(dāng)線路精度要求提高到±10 μm甚至±1 μm時(shí)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(jìn)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(duì)圖形精度的控制越有利。傳統(tǒng)的曝光設(shè)備對(duì)位精度為±25 μm，層間對(duì)位精度大于50 μm，LDI（激光直接成像）設(shè)備對(duì)位精度提升至10 μm以內(nèi)，層間對(duì)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(yàn)→蝕刻銅層→蝕刻電阻層→褪膜→清洗→貼膜→曝光、顯影→檢驗(yàn)→酸洗→蝕刻銅層→清洗檢驗(yàn)→退膜→清洗→檢驗(yàn)

電阻圖形的制作經(jīng)過多道工序，各個(gè)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(huì)造成阻值精度不良。在生產(chǎn)前就要進(jìn)行提前干預(yù)管控，如CAM設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)線路進(jìn)行合理補(bǔ)償、設(shè)備輥輪壓力調(diào)至標(biāo)準(zhǔn)范圍值、周轉(zhuǎn)過程借助工裝等，嚴(yán)格控制每個(gè)環(huán)節(jié)來確保阻值精度。

對(duì)于埋置平面薄膜電阻的多層PCB，層壓過程也會(huì)對(duì)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(jì)電阻附聯(lián)圖形，層壓完成后對(duì)附聯(lián)圖形進(jìn)行電阻阻值測試。如設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)管控措施是在電阻圖形INCAM補(bǔ)償時(shí)，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(dá)90%以上。

3.3 密集孔成孔技術(shù)

對(duì)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(gè)，孔間距為1.2 mm或更小，按照常規(guī)方法鉆孔時(shí)鉆屑不易排出，產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)散去也會(huì)導(dǎo)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(dāng)粘附的鉆屑量較大時(shí)便會(huì)出現(xiàn)堵孔，后續(xù)很難用高壓水沖洗去除，對(duì)印制電路板的可靠性帶來風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)對(duì)措施是及時(shí)更換鉆頭鉆孔，避免鉆刀磨損、排屑不良等導(dǎo)致孔壁粗糙、熱量集中等問題；根據(jù)板材類型適當(dāng)升高鉆機(jī)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(shí)吸收鉆孔過程中的熱量，促進(jìn)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(shí)際密集孔設(shè)計(jì)適當(dāng)增加，每隔2～3個(gè)孔進(jìn)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(qiáng)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(xué)除膠法在處理高頻基材時(shí)咬蝕效率較低，鉆污不能完全去除，因此，一般采用等離子機(jī)去除高頻PCB孔壁鉆污，其原理是首先用氮?dú)獾入x子體對(duì)數(shù)鉆孔壁進(jìn)行清潔并預(yù)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(dá)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(duì)孔壁進(jìn)行金屬化處理，孔壁質(zhì)量明顯提升。表6為一種PTFE材料進(jìn)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(jìn)入下一道工序，若超出此時(shí)間需重新進(jìn)行等離子處理。

3.5 背鉆

當(dāng)電路信號(hào)的頻率增加到一定程度后，印制板中的導(dǎo)通孔PTH中無用的孔銅部分將成為信號(hào)完整的障礙，對(duì)信號(hào)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(hào)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(gè)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(duì)信號(hào)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(jìn)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(jì)，基于成本節(jié)約、提高彎曲強(qiáng)度、實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)、電源信號(hào)及波控信號(hào)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(hào)層L13～L16層為高頻板材，此類高速高頻PCB結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不對(duì)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(biāo)、混壓交界面凹陷等問題。解決措施有：（1）對(duì)疊板方式進(jìn)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(duì)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(shí)采取提前預(yù)壓、適當(dāng)延長冷壓時(shí)間，降低層壓后出板溫度；（2）對(duì)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(jì)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(dòng)度含膠量適中的材料，改善混壓時(shí)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(duì)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(gè)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(duì)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(jìn)行X-Ray鉆靶機(jī)測漲縮值，根據(jù)漲縮數(shù)據(jù)利用INCAM軟件補(bǔ)償漲縮值后再進(jìn)行數(shù)鉆加工；當(dāng)板材漲縮變形較大時(shí)可考慮采用后定位方式，即在數(shù)鉆完成后再進(jìn)行漲縮測量，根據(jù)圖形制作前的漲縮值進(jìn)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(jìn)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(duì)于復(fù)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(duì)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(biāo)測試系統(tǒng)對(duì)變形量進(jìn)行測量，收集數(shù)據(jù)，計(jì)算出同類單片普遍的變形量。在進(jìn)行制板等工序加工時(shí)，針對(duì)漲縮，假定單片變形量一致，并在設(shè)計(jì)容忍公差范圍內(nèi)，可根據(jù)變形數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)值調(diào)整模版，使焊盤與實(shí)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(shí)，需二次測量漲縮值，調(diào)整參數(shù)進(jìn)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(jìn)行外層模版漲縮調(diào)整，調(diào)整后的模版數(shù)據(jù)再進(jìn)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(shí)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(huì)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(xì)和嚴(yán)格，同時(shí)也要在不斷實(shí)踐過程中逐漸積累工程經(jīng)驗(yàn)，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)。