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射頻多層電路板工藝技術研究

射頻多層電路板工藝技術研究

【摘要】:
現代通訊業的飛速發展,為射頻基板的制造迎來了前所未有的大市場。作為射頻多層板制造的基礎,其材料構成及相關性能指標,決定了其設計最終產品性能指標的實現及可加工性。

一、前言

現代通訊業的飛速發展,為射頻基板的制造迎來了前所未有的大市場。作為射頻多層板制造的基礎,其材料構成及相關性能指標,決定了其設計最終產品性能指標的實現及可加工性。

鑒于射頻類聚四氟乙烯介質基板的設計運用越來越多,特別是近年來對聚四氟乙烯介質射頻多層板設計需求的提升,給廣大電路PCB制造企業,帶來了前所未有的機遇與挑戰。聚四氟乙烯射頻印制板的多層化制造技術,在集中解決射頻多層印制基板制造技術中的特性阻抗控制技術以后,選擇何種粘結體系,實現射頻板的多層化制造,成為每位設計師及工藝人員必須面對的問題。

一般而言,運用于聚四氟乙烯介質層壓基板材料的射頻帶狀線結構制造,以及其他多層線路制造,粘結方式的選擇不盡相同,需根據設計需求、相關企業多層印制板加工制程能力、產品質量及可靠性指標等決定。

此外,隨著現代通訊設計要求的飛速提升,多層電路的互連方式,已經不單單局限于通孔、埋通孔、盲孔、背靠背互連孔的制造,如上下“犬牙交錯”互連孔的設計已然面世。

面對目前各種新材料、新工藝的出現,各種各樣的問題也在不斷考驗著從業者的智慧和能力,但是,對于聚四氟乙烯介質基板的多層化實現而言,其多項制造質量及可靠性的關注,應該始終是我們決策的主要依據。為此,廣大印制電路板從業人員,特別是工藝技術專項人才培養顯得尤為重要,希望能有越來越多的能人志士投身到無限的射頻多層電路板加工中來。

 

二、射頻結構多層板發展簡歷

2.1上世紀七十年代

當時,射頻結構多層板主要集中于微帶線結構的設計和加工,仍然是最為采用的射頻/微波印制板設計,同時針對于軍事用途的三平板傳輸線射頻多層結構出現。這優勢在于易于加工,且成本低;但沒有好的粘結材料;存在根本缺陷(冷變形或氣隙)。

2.2上世紀八十年代

粘結材料陸續出現,參見下表1所示;

當時已采用熱塑性薄膜,相對低的熔化溫度;但對于順序層壓效果不佳;且FEP的熔化溫度較高,也存在壓制困難。

2.3上世紀九十年代

出現帶有粘結薄膜的帶狀線結構,射頻介質居外側的多層化結構;當今時代仍然常見。

2.4上世紀九十年代后期

混合介質多層板結構出現;混合介質為聚四氟乙烯+FR4或者碳氫聚合物+FR4;往往僅有微帶線在表面(L1);非平衡結構,翹曲問題、造價昂貴。

2.5本世紀初

仍然沿用混合介質多層結構;但已含有高頻介質層的多層板;微帶線于第一層、帶狀線于第二層結構。

2.6 從2005年開始

單片多層板結構和銅箔多層板結構并行,純高頻介質層的多層板結構,微帶線和帶狀線結構設計皆有可能,且具有平坦結構。

 

三、射頻多層板粘結方式介紹

縱觀整個射頻多層板設計及加工歷史,可供選擇的粘結方式,大致可分為下述三類:

3.1直接粘結

在射頻材料及相關射頻電路印制板制造的歷史長河中,多層化實現的第一種方法,首推直接粘結,或稱熔化粘結。

直接粘結,實施起來可能存在某些難題。誠然,該種多層化粘結方式,省去了粘結用薄膜材料,但需要將溫度升至介質芯板材料的熔點以上,直接將軟化了的聚四氟乙烯表面熔結在一起(圖1)。

因此,直接粘結方法的選擇,必須依賴于高溫層壓設備能力的具備,否則,就是一句空話,實施更無從談起了。

當然,有些企業面對于無高溫層壓設備能力的窘境,可以采取借雞下蛋的方式,與相關聚四氟乙烯介質基板生產企業協作,解決多層化粘結難題。

從獲得有效和高可靠性粘結的角度考量,直接粘結技術,的確是有其獨到之處,按照專業學知識分析(依據相似相溶原理),本體粘結,是所有粘結中最值得推薦、粘結質量最高、粘結可靠性最理想的一種技術。

此外,多層電路的互連方式,已經不單單局限于以往的互連技術,如上下“犬牙交錯”互連孔的設計已然面世。針對上述“犬牙交錯”互連孔需求的射頻多層板制造,可選擇相關層電路互連加工為基礎,精確定位系統為保證,運用直接粘結方式,最終實現設計需求的互連。

至于下述熱塑性薄膜和熱固性半固化片粘結技術,有其特點和優勢,可以解決某些設計上所遇見的難題,如某些器件的埋入設計運用、內層高精細線路的制造、多次層壓的多層化實現等。

最后,針對于熱塑性薄膜和熱固性半固化片的開發,是基于聚四氟乙烯介質基板制造企業目標的實現,結合當前印制板制造企業的設備能力,不得以而為之的,個中的滋味和苦衷,只有當事者去體會了。

3.2 熱塑性薄膜粘結

在射頻多層板產生、發展的整個過程中,熱塑性薄膜粘結材料,無論從設計選型、還是射頻多層板的加工,都會是一個不錯的選擇。 通常,在排板制程中,交叉放置薄膜,來實現多層化裝夾。

其中,往往不為人們認識但需要關注的是,對于被選用的熱塑性薄膜粘結材料,必須滿足層壓制程中的加熱過程。換言之,該種熱塑性薄膜粘結材料的熔點,需低于射頻介質芯板——聚四氟乙烯樹脂的熔點327℃(620oF)。

隨著層壓溫度的升高,超過熱塑性薄膜的熔點,粘結膜開始流動,在層壓設備施加于裝夾板上均勻一致的壓力幫助下,被填充到待粘結層表面的銅層線路之間。

通常,熱塑性薄膜粘結材料,按照層壓溫度的高低,大致分為以下兩大類型。

(1)220℃層壓溫度控制

此類較低溫度熱塑性薄膜粘結材料的運用,首推羅杰斯公司的3001(圖2)。

在滾滾歲月長河中,與之相似的熱塑性薄膜粘結材料,尚有nelco公司、arlon公司的榮譽產品FV6700薄膜(圖3)和Cuclad 6700薄膜(圖4)粘結材料面向市場,為各自客戶提供多層化粘結。

(2)290℃層壓溫度控制

有別于上述較低溫度粘結材料,尚有一種較高層壓溫度的熱塑性薄膜粘結材料被廣泛使用,也即是杜邦公司的FEP材料(圖5)。

如何選擇,常常依賴于隨后多層線路板加工的工藝路線,包括所經歷的熱過程、粘結所用薄膜的熔點、可靠性需求等。

3.3 熱固性半固化片粘結

第三種粘結方法,需要選用熱固性粘結半固化片材料。裝夾填充有該熱固性半固化片材料的待壓多層板,定位裝夾,隨后進行程序升溫操作。

熱固性半固化片往往具有較低的粘結溫度,低于聚四氟乙烯芯板介質材料的熔點327℃(620oF)。

隨著層壓溫度的逐漸升高,半固化片樹脂會隨之流動,借助于附加在多層待壓板上均勻一致的壓力下,填充于銅線路圖形之間。

對于傳統FR-4介質材料與聚四氟乙烯介質層壓板進行粘結的多層混壓板結構,根據經驗,通常可選用環氧樹脂類半固化片材料。但是,選擇環氧樹脂半固化片時,應當慎重考慮其對電性能所造成的影響。

此類熱固性半固化片粘結材料,羅杰斯公司的傳統優勢材料,有RO4450B(圖6)。

另外,雅龍公司曾經市場占用率較高的25N半固化片(圖7)粘結材料,也為業界同仁們廣泛運用,獲得了較好的市場收益。

當然,傳統聚四氟乙烯介質基板制造企業的泰康利公司,也有其獨到的半固化片粘結材料FasrRise 28(圖8)活躍于射頻多層板制造領域。

四、討論和建議

眾所周知,射頻多層板的設計和制造,將越來越普遍。為獲得理想的電氣性能、高品質的射頻多層板制造質量、以及使用之高可靠性,須重點關注下述諸點。

4.1關于射頻多層板粘結材料的選擇

提起射頻多層板的設計與制造,必定會提及射頻介質基板的構成情況。不同的樹脂體系,決定了其設計要求及可加工性;相同的樹脂體系、不同的填充方式,也導致其設計要求及可制造性。

4.1.1 玻璃纖維填充聚四氟乙烯射頻多層板制造

對于玻璃纖維填充之聚四氟乙烯樹脂體系射頻介質基板,沿用權威人士的忠告,不建議進行多層化設計及制造。如果不得不為之,根據相似相容的原則、以及電訊設計方面的考量,優選熱塑性樹脂粘結材料;如果必須設計有金屬化互連孔,考慮到層間結合力、以及該類型介質材料Z-軸熱膨脹系數較大之特點,建議通過下述兩種方法“泰然”處之:(1)延長圖形電鍍銅制程時間,加厚孔壁鍍銅層厚度,希望能最大限度提升抵抗介質熱膨脹導致孔壁銅層斷裂的能力;(2)增加金屬化孔制造后的樹脂塞孔制程。

此外,對于設計互連要求,必須進行多次壓合制作的情況,建議選擇適當的熱固性粘結片材料。

4.1.2 陶瓷粉填充聚四氟乙烯射頻多層板制造

對于陶瓷粉填充之聚四氟乙烯樹脂體系射頻介質基板,由于其材料構成的獨特性,使其成為射頻多層板設計和制造的寵兒,其粘結材料的選擇較為寬松。

為了實現多次層壓制作、高層間結合力、以及苛嚴條件下的使用可靠性,建議優選熱固性樹脂粘結材料。

4.2關于射頻多層板的結構設計

射頻多層板的結構設計,需考慮到制造的可加工性。在可能的情況下,給制造留有一定的空間,尤其需關注下述各方面:(1)線路精度、間距、層間重合精度;(2)圖形引出端位置精度;(3)埋置平面電阻阻值精度;(4)層間互連方式。

呼應前面所述,對于上述提及的層間互連方式,在無法回避之情形下,針對“犬牙交錯”互連孔需求的射頻多層板制造,可選擇相關層電路互連加工為基礎,精確定位系統為保證,運用直接粘結方式,最終實現設計需求的互連(圖9)。

4.3 關于LTCC多層微波器件替代加工嘗試

作為羅杰斯公司榮譽產品的LCP(液晶聚合物)材料ULTRALAM 3850HC,其獨特的產品特點,賦予其材料特性方面的優勢,為LTCC微波器件的加工,另辟蹊徑。該材料的多層化制作,需要羅杰斯公司的最新粘結片材料,2929 Bondply。雖然LTCC的實現相對不那么復雜,但是,如何使產品滿足電訊調試的要求,是擺在工藝同仁面前的相對較高的難題。

但是,相較于目前低溫陶瓷燒結工藝制造射頻器件而言,選用羅杰斯公司等先進的、高性能的射頻基板材料,借助微波多層印制電路板制造先進技術,可滿足更大尺寸微波射頻器件的制造,為射頻器件多層化設計實現,提供了另外一個途徑。

 

五、結束語

各類通訊用射頻印制板,尤其是聚四氟乙烯類介質材料的運用,在原有對印制板之單、雙面制造要求的基礎上,越來越向射頻多層化電路板制造方向邁進。這種射頻多層印制電路板有別于傳統意義上的多層印制板,由于其層壓制造之特殊性,對層間重合精度、圖形制作精度、層間介質層厚度一致性、鍍層均勻性及涂覆類型、以及層間結合力,提出了更為苛刻的要求。

針對射頻類聚四氟乙烯介質的多層化實現技術,是當今許多設計和制造者所面臨的一道難題,可謂任重而道遠。

面對目前各種新材料、新工藝的出現,各種各樣的問題也在不斷考驗著從業者的智慧和能力,但是,對于聚四氟乙烯介質基板的多層化實現而言,其多項制造質量及可靠性的關注,始終應該是我們決策的主要依據。

 

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