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        微波雷達印制電路板天線區(qū)品質(zhì)控制探討

        2021-12-08 06:00:36羅家偉楊潤伍
        印制電路信息 2021年10期
        關(guān)鍵詞:線寬電鍍樹脂

        羅家偉 黃 力 楊潤伍 李 亮

        (珠海方正科技高密電子有限公司,廣東 珠海 519175)

        0 前言

        隨著國家人工智能戰(zhàn)略的發(fā)展,無人駕駛技術(shù)成為其中的熱門方向,而毫米波雷達是無人駕駛技術(shù)中的重要輔助系統(tǒng)[1]。不僅如此,其運用領(lǐng)域非常廣泛;汽車ADAS(Advanced Driving Assistance System)領(lǐng)域中智能駕駛雷達;智能交通領(lǐng)域中車速和流量檢測雷達;停車場內(nèi)道閘、車位檢測雷達;機器人/無人船領(lǐng)域中規(guī)避雷達;無人機領(lǐng)域需規(guī)避雷達;工業(yè)應(yīng)用中物位液位計等等。

        天線作為雷達傳感器的關(guān)鍵性器件,一方面需要盡可能多地把射頻源的信號發(fā)射出去;另一方面需要使雷達波覆蓋到合適的區(qū)域[2]。所以高頻毫米波雷達天線印制電路板在其生產(chǎn)制作中,外層蝕刻后對應(yīng)的微波雷達天線區(qū)域(見圖1所示)所有的外形圖形盤(PAD)要求非常嚴(yán)格,有EA值(見圖2所示)控制要求(天線區(qū)域所有直角)。一旦EA值超出要求就會影響無線信號的傳輸和接收,嚴(yán)重情況下出現(xiàn)信號增益的問題。

        圖1 幾類典型微波雷達天線區(qū)域圖

        圖2 EA值控制示意圖

        為實際生產(chǎn)過程中便于管控此類產(chǎn)品,特別是工程設(shè)計、電鍍、蝕刻要控制好相關(guān)參數(shù)確保EA值及線寬符合客戶要求,同時其線寬及焊盤大小間距公差也需嚴(yán)格控制(按±25.4 μm控制)。本文從實際生產(chǎn)中遇到的困難并依此提出了一些改善方案。

        1 涉及PCB技術(shù)特點

        依據(jù)高頻微波雷達天線板其工作頻率高的特點,其在制作選材上一般偏向于高頻微波材料;而其他層次對信號傳輸沒有這么高要求,一般會選擇普通FR4板材。因此其一個加工工藝特點為高頻混壓。

        由于微波雷達天線區(qū)域一般均與CPU(中央處理器)相連,則PCB板一般有BGA(球柵陣列)設(shè)計;連接BGA與天線區(qū)域的關(guān)鍵線就顯得尤為重要,同時為了節(jié)約空間,一般均采用激光盲孔設(shè)計網(wǎng)絡(luò)屏蔽層及散熱功能。涉及PCB加工工藝特點有通填HDI(高密度互連)盲孔與導(dǎo)通孔上連接盤(POFV)工藝。但其關(guān)鍵信號傳輸線與天線區(qū)域PAD公差需要嚴(yán)格控制在±25.4 μm;其重要的關(guān)鍵加工特點為:雷達天線精度管控。

        微波雷達天線區(qū)域蝕刻后所有的PAD需要控制EA值;若EA值控制不好,則測量微波雷達能量峰值時出現(xiàn)信號增益大、能量差別高及信噪比低。其PCB加工工藝特點為:雷達天線區(qū)域PAD的EA管控。

        微波雷達天線區(qū)域外觀同樣非常關(guān)鍵,生產(chǎn)過程中是不允許修理,此類關(guān)鍵區(qū)域有外觀不良品質(zhì)問題,基本只能選擇報廢處理。涉及PCB頭疼的刮傷、擦花管控。

        2 過程制作

        2.1 高頻混壓

        通過與客戶溝通并了解,其高頻微波雷達天線板其工作頻率可高達24 GHz、77 GHz、79 GHz等不同頻率。由于其頻率高,波長短的特點,故而決定了雷達系統(tǒng)的射頻前端和天線都需要使用高頻微波材料。當(dāng)綜合考慮其成本及性能方面,我司選擇價格適中且性價比極高的高頻微波材料RO4835板材。同時了解到PCB板其他層次對信號傳輸并沒有這么高要求,考慮成本及加工難度等因素,確認(rèn)選擇普通FR-4板材,如IT180A或S1000-2等高Tg板材。由于Rogers板材的特殊性能,增加了制作過程中的難度。制作過程中需控制最終產(chǎn)品板翹曲度需小于等于1%便于貼件。采用高頻板與普通FR-4板材混壓,兩種板材不同的應(yīng)力形變。為改善板曲的目的壓合制作方法如下。

        (1)壓合排版時采用背靠背疊板(如圖3所示);同時使用全新牛皮紙緩沖提高樹脂流動均勻性。

        圖3 壓合排版方式

        (2)壓合后固化時間(>190 ℃)大于100 min,使樹脂能完全固化。

        (3)壓合冷壓時間延長至120 min,有利于熱應(yīng)力逐步釋放。

        從數(shù)據(jù)收集情況看,板曲值均控制在1.0%以下;符合客戶要求。通過制程能力分析(如圖4所示),板曲正態(tài)概率分布P=0.213>0.05,說明微波雷達天線區(qū)域EA值滿足正態(tài)分布;且其過程能力分析可知,Cpk=1.41>1.33,說明板曲過程控制良好。按此類壓合方法制作高頻混壓板板曲完全滿足正常批量生產(chǎn)的要求。

        圖4 板曲制程能力

        2.2 微波雷達天線精度管控

        微波雷達天線區(qū)域線寬線距均需按±25.4 μm控制;則外層完成銅厚需重點控制。由于外層激光孔和通孔一起電鍍,且部分導(dǎo)通孔與盲孔全部樹脂塞孔及研磨后并電鍍填平,加大了均勻性變化系數(shù)(COV=平均值/標(biāo)準(zhǔn)偏差×100%)影響因素。

        2.2.1 流程設(shè)計

        前工序→壓合→樹脂研磨(除流膠)→MASK開窗→mask AOI→激光鉆孔→plasma→AOI→鉆孔→PTH+電鍍→填孔電鍍→整板鍍銅→樹脂塞孔①→樹脂研磨→樹脂塞孔②→樹脂研磨→塞孔AOI→PTH+POFV(電鍍?nèi)祝鈱訄D形→外層蝕刻→阻抗測試→外層AOI→后工序。

        2.2.2 銅厚均勻性控制

        從流程發(fā)現(xiàn)影響銅厚有三大段工序,制作工藝控制要求如下。

        (1)PTH+電鍍→填孔電鍍→整板鍍銅(通填HDI盲孔)

        ①PTH正常制作,電鍍采用閃鍍,一般鍍銅厚5~8 μm;

        ②填孔電鍍:通孔盲孔一起電鍍,采用低電流修復(fù)孔型參數(shù),嚴(yán)禁填平;

        ③整板鍍銅采用VCP線制作控制線速及電流;控制面銅均勻性。

        電鍍后數(shù)據(jù)收集,其銅厚為36.93~42.36 μm;平均值為39.42 μm,計算COV值2.48%。

        (2)樹脂塞孔①→樹脂研磨①→樹脂塞孔②→樹脂研磨②

        ①樹脂塞孔①,采用鋁片真空塞孔;

        ②樹脂研磨采用陶瓷磨板,打磨孔口樹脂,每次均需更換面次朝向;

        ③樹脂塞孔②是盲孔樹脂塞孔,采用絲網(wǎng)真空塞孔。

        樹脂研磨后數(shù)據(jù)收集,其銅厚為29.00 μm~36.87 μm;平均值為36.87 μm,計算COV值5.26%。

        (3)PTH+POFV(POFV工藝)

        PTH正常制作,POFV采用VCP電鍍制作控制線速及電流,控制銅面均勻性。同時滿足客戶最小POFV銅厚要求。

        POFV電鍍后數(shù)據(jù)收集,銅厚為45.15~59.58 μm;平均值為53.01 μm,計算COV值6.27%。

        2.2.3 蝕刻制作控制

        前工序保證了銅面均勻性,基本就能保證其蝕刻精度保證線寬線距,PAD大小公差按±25.4 μm。其細(xì)節(jié)控制(同時也需監(jiān)控EA值與阻抗)如下。

        (1)有微波雷達天線區(qū)域直角PAD的一面需朝下放板;

        (2)首板100%檢測微波雷達天線區(qū)的所有線及焊盤,首件公差按±20 μm控制;過程中按10%抽檢;

        (3)首/末件需要確認(rèn)BGA區(qū)域的BGA大小和線寬。

        2.2.4 天線區(qū)域精度分析

        從數(shù)據(jù)看,微波雷達天線區(qū)域線寬線距公差及PAD大小公差均控制在±25.4 μm以內(nèi),符合客戶要求。由于天線區(qū)域線寬線距及PAD大小的原始設(shè)計值不一致,為分析其精度,先正常按要求測量,最后再減去標(biāo)準(zhǔn)值得到其實際公差值進行分析;由于數(shù)據(jù)有正有負(fù),采用Johnson進行變換(如圖5所示);選定最佳擬合的P值為0.005。通過制程能力分析(如圖6所示)看出,天線精度正態(tài)概率分布,概率分布P=0.056>0.05,說明轉(zhuǎn)換后天線精度值滿足正態(tài)分布;且其過程能力分析可知,Cpk=1.63>1.33,說明天線精度過程控制良好。銅厚均勻性控制上能滿足正常批量生產(chǎn)的要求。

        圖5 微波雷達天線精度Johnson變換

        圖6 微波雷達天線精度制程能力

        2.3 天線區(qū)域PAD的EA管控

        2.3.1 EA值測量方法

        微波雷達天線板的外層蝕刻后對應(yīng)的天線區(qū)域所有的外形圖形PAD有EA值控制要求。一旦EA值超出要求就會影響無線信號的傳輸和接受;嚴(yán)重情況下出現(xiàn)信號增益的問題。

        為便于管控此類產(chǎn)品在實際生產(chǎn)過程中監(jiān)控,特制作規(guī)范——微波雷達天線位置EA值檢測標(biāo)準(zhǔn)(圖7)如下。

        圖7 EA值標(biāo)準(zhǔn)測量示意圖

        (1)采用金相顯微鏡物鏡放大200倍測量,測量時需凍結(jié)圖像;

        (2)手動兩條基準(zhǔn)線末端需緊貼天線區(qū)PAD最內(nèi)側(cè)線頂位置,且長度需大于500 μm;

        (3)測量基準(zhǔn)線交點到PAD角最遠(yuǎn)距離,重復(fù)測量三次(基準(zhǔn)線不需重復(fù)),取最小值為天線區(qū)直角的EA值。

        2.3.2 正常補償方式EA值控制

        由于受傳統(tǒng)設(shè)計思維影響,一般PAD補償時均在工廠制程能力之內(nèi)進行補償;由于有EA值管控要求,便再進行額外補償即可。

        待板生產(chǎn)到蝕刻時,才發(fā)現(xiàn)不管怎么調(diào)整蝕刻參數(shù)(速度、噴淋壓力)與蝕刻方式(酸性蝕刻、堿性蝕刻);在線寬線距及PAD公差都合格的情況下,其EA值均無法滿足客戶要求,直方圖分布如下(如圖8所示)。

        圖8 優(yōu)化前的EA值直方圖

        2.3.3 天線區(qū)域外層特殊補償方式

        通過測試驗證,并不斷優(yōu)化設(shè)計、補償,最終確定采用特殊補償方式進行EA值控制生產(chǎn)制作(如圖9所示);其制作方式如下。

        圖9 微波雷達天線區(qū)域外層補償方式

        (1)雷達微波區(qū)域先正常預(yù)大。

        (2)EA值測量直角額外需特殊補償。補償規(guī)則為:直角為圓心,半徑為PAD短邊2/5距離為起點,

        兩PAD邊均向外傾斜3°,其相交后與原PAD所圍成區(qū)域為EA值特殊補償區(qū)域。

        從數(shù)據(jù)情況看,其EA值均控制在16 μm以下,符合客戶要求。通過制程能力分析(如圖10所示)看出,EA值正態(tài)概率分布可知,概率分布P=0.097>0.05,說明天線區(qū)域EA值滿足正態(tài)分布;且其過程能力分析可知,Cpk=1.37>1.33,說明EA過程控制良好。修改設(shè)計資料后滿足正常批量生產(chǎn)的要求。

        圖10 優(yōu)化后微波雷達天線區(qū)域EA值 制程能力

        前期客戶打樣時測量微波雷達能量峰值,增益差別在0.5 dB~2 dB之間,差別相當(dāng)?shù)拇螅? dB);而能量差別就高達一半左右,同時有信噪比差別也在3 dB左右。經(jīng)過對EA的有效管控,再未出現(xiàn)雷達增益差別和信噪比低的問題,現(xiàn)此類產(chǎn)品客戶已經(jīng)實現(xiàn)批量生產(chǎn)制作。

        2.4 天線區(qū)域刮傷、擦花管控

        雷達天線區(qū)外觀要求同樣特別嚴(yán)格,不接受修理。因而顯得尤為特殊(區(qū)域還有開窗大銅面);過程中必須嚴(yán)防刮傷銅面及擦花金面。對于此類PCB都有專項應(yīng)對,如:隔膠片、隔珍珠棉,或者插架及單獨搬運、輕拿輕放等等。

        3 結(jié)論

        (1)微波雷達天線板的整板電鍍/磨板/POFV鍍銅后的銅厚度分布均勻性基本上滿足COV值小于6.5%時,基本能確保PCB射頻微波線區(qū)域在蝕刻后滿足或接近±25.4 μm公差的線寬、線距及PAD大小控制要求。

        (2)微波雷達天線區(qū)域通過EA值控制采用特殊補償方式進行制作,能有效控制EA≤18 μm。

        (3)制定適當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)減少不必要的人為影響因素,也能有效改善品質(zhì),降低成本。

        (4)通過同客戶溝通及反饋,沒有出現(xiàn)雷達增益差別和信噪比低的問題,說明特殊補償設(shè)計、過程控制及制定的天線位置EA值檢測標(biāo)準(zhǔn),能滿足客戶對微波雷達天線印制電路板的性能要求。

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