微波介质基板多层化实现技术探究

1、微波介质基板多层化实现技术探究【摘要】本文针对三家微波介质基板厂商提供的， 一种陶瓷粉填充、玻璃纤维增强的聚四氟乙烯高频介质材 料，进行了简单介绍。在此基础上，对选用此类介质基板及 相应的半固化片，制造通讯用多层微波介质基板，进行了较 为详细的介绍。【关键词】微波；多层印制板一、引言随着现代通讯技术的不断发展，电子产品的需求在不断 增加。作为电子产品主要器件的印制板，也不同程度的获得 了发展的机会。另外，印制板制造所需新设备、新材料、新 工艺的不断涌现，也为印制板制造业的发展，奠定了坚实的 基础。纵观我国通讯产业的发展，离不开作为关键元器件的微 波印制板的功劳。作为微波印制板的设计和制造，应用

2、最多 的是国产玻璃布增强聚四氟乙烯覆铜板系列材料，以及随之 逐渐选用的国外进口微波覆铜板材料，主要有rogers公司、 arlon公司、taconic公司、metclad公司和nelco公司等。 其中，美国rogers公司提供的产品有rt/duroid系列、tmm 系列和r0系列等微波基材覆铜箔板，究其组成，主要有玻 璃纤维增强聚四氟乙烯覆铜板、陶瓷粉填充聚四氟乙烯覆铜 板和陶瓷粉填充热固性树脂覆铜板。通讯业发展之初，主要应用的是单、双面微波印制板。当岁月进入到上个世纪九十年代，对微波印制板的制造已不 满足于单纯的单、双面板的生产，对多层微波印制板制造的 需求越来越迫切。多层微波印制板制造工艺

3、研究，主要集中 解决微波多层印制基板制造技术中的特性阻抗控制技术、多 层微波基板层间互联制造技术等关键技术问题。通过突破关 键技术，确定多层微波印制板制造技术和层压制造工艺。众所周知，针对微波多层板的制造实现技术，基本离不 开层压实现所发挥重要作用的粘结片材料。目前，有多家公 司提供的半固化片材料，可用于层压制造。本文将针对三家微波介质基板及其多层化制造技术进 行介绍，并对多层微波介质基板制造中的相关问题进行讨 论。二、微波介质基板材料介绍2. 1 rogers公司rt/duroid 6002覆铜箔层压板美国rogers公司生产的rt/duroid 6002板材，是一种 陶瓷粉填充、玻璃短纤维

4、增强的聚四氟乙烯(ptfe)覆铜箔 层压板材料，它具有以下显著特点：(1)卓越的高频低损耗特性；(2)严格的介电常数 和厚度控制；(3)极佳的电气和机械性能；(4)极低的介 电常数热系数；(5)与铜相匹配的平面膨胀系数；(6)低z轴膨胀；（7）低的逸气性，是空间应用的理想材料。此种高频介质板材rt/duroid 6002的主要性能，参见 表1。2. 2 arl0n公司clte-xt覆铜箔层压板美国arl0n公司生产的clte-xt板材，是一种陶瓷粉填 充、玻璃纤维编织布增强的聚四氟乙烯（ptfe）覆铜箔层压 板材料，它具有以下显著特点：（1）介电常数和损坏因数极好的热稳定性；（2）宽 温度范围

5、的相位稳定性；（3）满足复杂多层印制板的高度 尺寸稳定性；（4） x、y、z方向极佳的热膨胀系数值。此种高频介质板材clte-xt的主要性能，参见表2。2. 3 tac0nic公司tsm-29覆铜箔层压板美国tac0nic公司生产的tsm-29板材，是一种陶瓷粉 填充、玻璃纤维增强的聚四氟乙烯（ptfe）覆铜箔层压板材 料，它具有以下显著特点：（1）极好的热稳定性；（2）异常低的介电损耗；（3） 相位稳定性材料；（4）严格的介电常数公差；（5）宽温度 范围的稳定介电常数。此种高频介质板材tsm-29的主要性能，参见表3。2.4相对应半固化片材料无论是fr-4多层印制板的制造，还是微波介质基板的

6、 多层化制造实现，都离不开层间互联的半固化片材料。针对本文介绍的一种陶瓷粉填充、玻璃纤维增强的聚四 氟乙烯微波介质基板材料，各公司均提供有相对应配套使用 的半固化片材料。rogers. arlon、taconic三家微波介质基板材料提供厂 家，相对应的半固化片情况一览，参见表4。三、微波介质基板多层化制造技术简介众所周知，任何介质多层印制板的制造，都离不开相应 粘结材料一一半固化片的选择，以及层压制程的过程控制。 针对本文所述一种陶瓷粉填充、玻璃纤维增强的聚四氟乙烯 高频介质材料，rogers公司、arlon公司和taconic公司， 均推出有相应的半固化片材料。3. 1 rogers公司r0

7、4403半固化片和r04450b半固化片 的层压制造r04403半固化片是一种专为r04000系列层压板材料选 用所设计开发出的新型粘结材料o r04000介电材料以被长期 选用于作为传统芯板，希望实现在改进性能的前提下，不会 明显增加成本。r04003和r04350层压板能被用于需要操作 频率、介电常数控制或高速信号传输的场合，且是一种出众 的材料。在r04000系列层压板系统的设计过程中，其根本 思路为能采用现有fr-4制程进行多层线路的制造。r04403半固化片，为了满足当今商业应用对高频设计、 低值线路制造需求之需要，通过共混方式，实现了其介电常 数为3. 17,损耗因子为0. 005

8、o这种低流动度的半固化片， 具有的后固化玻璃化转变温度大于280oc （536f）,被设计于 适合标准的fr-4制造条件下的压制和其他制程。这些性能 确保了制造者进行多层板的压制或在一次层压循环下实现 混合结构，并增加挠性、降低制造成本。对于每个r04403半固化片，是基于1080玻璃布类型， 在多层板制造中增加0. 004英寸（0. 10mm）厚度，无论内层 粘结对象是铜箔或全蚀刻介质层。同样，r04450b半固化片，也是一种专为r04000系列层压板材料选用所设计 开发出的新型粘结材料。在r04403半固化片应用于微波多层介质基板制造的过 程中，层压过程的控制及层压周期较长，给大规模批量制

9、作 相应微波介质多层印制板带来了一些困难。为此，rogers公 司，适时研发推出了 r04450b半固化片。下面，让我们来对比一下rogers公司r04403半固化片 （图1）和rogers公司r04450b半固化片（图2）的层压过 程控制特性。对比上述两图中之温度-时间曲线和压力-时间曲线，我 们可以从中得到相关信息如下，对于正确运用r04450b半固 化片，进行射频多层混压板的制造，提供保障。选用r04403半固化片进行射频多层板的压制，整个层 压过程需时4小时，而选用r04450b半固化片进行层压，整 个过程仅需时2小时。其中，选用r04403半固化片进行射 频多层板的压制时，保温保压时

10、间需90分钟，但选用r04450b 半固化片进行射频多层板的压制时，保温保压时间仅为60 分钟。这是由于，选用r04403半固化片进行射频多层板的压 制时，从室温到177oc,升温速率需控制在1. 12. 2oc/min。而选用r04450b半固化片进行射频多层板的压制时，由 于对其进行了改进，层压过程升温速率控制如下：(1)允许 快速升温到107 oc； (2) 107 oc121 oc间，控制升温速 率 2.84.0 oc/min； (3) 121 oc 177 oc 间，控制最高 升温速率2.2 oc/mino3.2 arl0n公司25fr/25n半固化片的层压制造arl0n公司生产的2

11、5fr/25n,为射频、微波和髙速数位 设备等的设计工程师，提供了电气效能的优点，而且该材料 具有结合传统印制电路板制造方法的成本优势。25fr/25n需要一个较慢的升温速率，以确保实现其最佳的结合力。为了能确保除去存在于叠板间的空气，最好于施 压和加热前，预抽真空30分钟。压力的选择，以18 x24待压板为例，建议所加压力范围为300350 psio在整个压制过程中，需保持全压。至于升温速率，在83138 oc之间，应控制为2. 2-3. 3oc/mino同时，为了确保结合力符合要求，需要在177 oc 温度下，保温保压90分钟。为避免层压板的弯曲，可采用5.5 oc/min或更低的降 温速

12、率来进行冷却。对于单张25fr/25n材料之2112半固化 片，将产生厚度为0. 0057英寸到0. 0063英寸，但依赖于待 粘结层的形态结构。鉴于25fr/25n半固化片材料的特性，在选用其进行多 层印制板层压制造时，将优先选用真空层压技术。另外，温 度、压力随时间的变化如下图3所示。3. 3 tac0nic公司fastrise-27半固化片的层压制造taconic公司的fastrise-27半固化片，是专门为高速 数字信号传输应用和毫米波频段射频多层印制板制造设计 研制提供的。与taconic公司其他微波介质基板材料相配，制造相应 设计要求的多层微波介质基板，fastrise-27半固化

13、片能够 满足低介电损耗的带状线结构设计要求。该粘结片材料的热 固性性能，使得其能满足设计要求的多次层压制造。另外，由于该半固化片组成中，选用了较大量的陶瓷粉 填充料，使得相应制品的尺寸稳定性很好。由于其选用的是 高性能的热固性树脂，使其对铜箔和一些聚四氟乙烯材料显 示出较好的粘结效果。fastrise-27能用来粘结标准的聚四氟乙烯介质基板 （如tlx）、陶瓷粉填充的聚四氟乙烯介质基板（tsm30、 r03003、rt/duroid6002、clte)、橡胶产品(r04003/r04350)、 标准改性的环氧树脂介质基板(n4000-13si),以及聚酰亚 胺介质基板。层压制程控制推荐如下：(

14、1) 建议选用真空层压制程；(2)控制升温速率1.5 5.5 oc/min,直至215.5 oc,其间，树脂流动窗口控制为 80150 oc； (3)维持层压压力73psi直至压制板温度达 到37oc,然后施加全压力500psi； (4)保温保压60分钟;(5)在保压情况下，进行降温，维持降温速率(1)化学处理法金属钠和蔡，于非水溶剂如四氢咲喃或乙二醇二甲醯等 溶液内反应，形成一种蔡钠络合物。各组份之配比请参见下 表5o该钠蔡处理液，能使孔内之聚四氟乙烯表层原子受到浸 蚀，从而达到润湿孔壁的目的。此为经典成功的方法，效果 良好，质量稳定。(2) 等离子体处理法等离子体，是指像紫色光、霓虹灯光一

15、样的光，也有称 其为物质的第四相态。等离子体相态是由于原子中激化的电 子和分子无序运动的状态，所以具有相当高的能量。孔壁树脂的活化处理，对于确保化学镀铜层的沉积覆 盖，是必须进行的操作。此类处理，可选用等离子体技术进 行。下述表6,为一个ptfe材料进行典型等离子循环处理的 工艺介绍：对于ptfe材料之表面等离子处理来说，其进行下一步 工序前的持有时间是有限制的。一旦持有时间超过12小时, 应当再次进行等离子制程处理。4.2层间结合力问题众所周知，无论对于何种介质类型之多层印制电路板， 其获得成功制造的前提条件，是多层板各层间的结合力问 题。纵观整个印制板制造业发展之过程，多层印制板层间结 合

16、力问题，曾经长期困恼着广大制造厂商。对于此类聚四氟乙烯微波介质基板的多层化制造来说， 无论是rogers公司的rt/duroid6002、arlon公司的 clte-xt.还是taconic公司的tsm-29,选用各自公司推荐 之半固化片用于聚四氟乙烯介质类微波多层板的制造。如果 想要获得理想的层间结合效果，还需关注以下几方面：(1) 针对粘结面为大面积聚四氟乙烯介质情况，为确 保能够获得理想的层间结合力，需有针对性的进行等离子表 面活化处理；(2) 对于线路铜表面，特别是大面积铜表面，为确保 能够获得理想的层间结合力，需有针对性的进行铜表面的黑 化处理；(3) 对于非上述情况之大面积聚四氟乙

17、烯介质间相互 粘结、大面积聚四氟乙烯介质与大面积铜表面相互粘结，或 大面积铜表面间相互粘结，可适当降低表面前处理要求，有 时对于图形设计相对均匀之混合介质多层印制电路板，可免 去针对聚四氟乙烯介质表面的等离子处理和针对铜表面的 黑膜氧化处理，直接实施层压制造。下图4给出了聚四氟乙烯类多层微波介质基板之表面相 互粘结的层间结合情况。4.3多层微波介质基板窗口内图形保护问题随着多层微波介质基板设计要求的不断提升，板面开窗 口的设计日益增多，给该类多层微波印制板的制造带来了新 的难题。经过长期实际摸索，建议方法如下：（1）该类微波多层印制板的制作，通常采用多次层压 的方式进行；（2）针对设计需求板面

18、的开窗口制作，于层 压前通过数控铳的方式进行处理；（3）层压时，根据所开 窗口的尺寸大小，选用辅助板充填或硅橡胶垫片占位的方式 进行制作；（4）层压后开窗口区域内图形的保护，可通过 湿膜或可剥胶来进行；（5）在设计允许的前提下，可建议 内层图形表面选用抗蚀刻镀层处理，从而实现对该类微波多 层板内层图形的保护。4.4烘烤问题如前所述，本文论述的多层微波介质基板制造选用的原 材料，无论是rogers公司的rt/duroid6002, arlon公司的 clte-xt.还是taconic公司的tsm-29,全部都是陶瓷粉填 充的聚四氟乙烯微波介质基板材料。至于本节提到的烘烤问 题，不妨暂且以roge

19、rs公司的rt/duroid6002微波介质基 板材料为例，进行相关介绍。微波介质板材rt/duroid 6002是一中含有较大体积分 数(>50%)陶瓷粉颗粒，并伴随玻璃短纤维其间的一种聚四 氟乙烯合成物。如此高的填充物，使得rt/duroid 6002微 波介质板材具有低的z轴热膨胀系数(cte),因此金属化孔 的可靠性也极高。另一方面,rt/duroid 6002微波介质板材之高填充特点, 使得其具有接近5%体积分数的多孔特性，这些微孔存在于陶 瓷粉颗粒与ptfe之界面。由于ptfe的低表面能及处理的陶 瓷粉填充物，使这些微空洞不会导致高的吸水性。然而一些 低表面张力的液体，如有机

20、溶剂和负载的表面活性剂水溶液 能渗入这些孔中。由于ptfe和陶瓷粉填充物对于大多数化学制程是惰性 的，上述液体仅仅填充于微孔中，但不会改变rt / duroid 6002微波介质板材的物理性能。但有时，在待加工板需经受 高温制程(如多层印制板的层压、孔金属化、热风整平等) 时，将已经渗入介质板材内部的挥发物除去是必须的，否则 会影响产品的制造质量，一种简单易行的方法是烘烤处理。(1)层压前的烘烤:在真空或氮气保护的前提下，将待层压之内层板在 15ctc条件下，烘烤至少30分钟。(2) 化学沉铜前的烘烤：化学沉铜前，在真空或氮气保护的前提下，将待处理板 在15ctc条件下，烘烤至少60分钟。一旦孔金属化完成后， 再想去除材料内含有的有机溶剂，将是一件很困难的事情。(3) 热风整平前的烘烤：再流焊或热风整平前，在真空或氮气保护的前提下，将 待加工板在15ctc条件下，烘烤至少120分钟。烘烤后，需 于30秒钟内，进行焊接处理。如出现板子返工时，需再次 进行前述烘烤处理。当然了，对于其他两家公司微波介质基板材料的加工来 说，也会不同程度遇见相应