plasma在高頻微波印制板中的運(yùn)用,首先我們來了解高頻微波印制板相關(guān)知識(shí):
定義
● 什么叫高頻?
通常短波頻率≥300MHz,即波長≤1米的范圍,稱作高頻。
● 什么叫微波?
通常頻率≥1GHz(100MHz),波長≤300mm的電磁波,稱作微波。
● 高頻微波印制板
在高頻微波基材覆銅板上,加工制造成的印制板叫高頻微波印制板。
類型:單、雙、多層,剛性。
高頻基材+普通FR4基材,制成的是混合型多層板。
高頻基材+金屬基,混合壓成的基材制成的印制板叫高頻金屬基印制板。
2.2 快速發(fā)展原因
● 通信業(yè)的快速進(jìn)步,原有的民用通信頻段擁擠,高頻通信部分頻段(軍用)逐漸讓給 民用。民用高頻通信獲得超常規(guī)速度發(fā)展。
衛(wèi)星接收,基站,導(dǎo)航,醫(yī)療,運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)領(lǐng)域大顯身手。
● 高保密性,高傳送質(zhì)量,要求移動(dòng)電話,汽車電站,無線通信向高頻化發(fā)展。
高畫面質(zhì)量,要求廣播電視傳輸用甚高頻播放節(jié)目。
高信息量傳送信息,要求衛(wèi)星通信,微波通信,光纖通信必須高頻化。
● 計(jì)算機(jī)技術(shù)處理能力增加,信息存儲(chǔ)容量增大,迫切要求信息傳送高速化。
因此,電子信息產(chǎn)品高頻化,高速化對PCB提出了高頻特性的要求。
高頻微波PCB成為電子信息高新科技產(chǎn)業(yè)必不可少的配套產(chǎn)品。
2.3 對基材的要求
● 印制板的整體特性,加工性能,長期可靠性,在很大程度上取決于基板材料。
● 為達(dá)到高頻高速傳送信號,要求基材必須考慮:
(1)Dk(εr),dielectric constant,或 relative permittivity,介電常數(shù)。
(2)Df(tanδ),loss tangent,或 Dissipation Factor,介質(zhì)損耗因素(介質(zhì)損耗角 正切)。
● 基材結(jié)構(gòu):玻纖,樹脂,填料。
● CTE(熱膨脹系數(shù))。
● 其它—?jiǎng)冸x強(qiáng)度,絕緣電阻,Tg,阻燃,吸水性……
2.4 介電常數(shù)Dk
(1)定義:某電介質(zhì)電容器的電容與同樣構(gòu)造的電容器在真空狀態(tài)下電容之比。
(2)覆銅板的介電常數(shù)
● 覆銅板基板由樹脂,增強(qiáng)材料(布、纖維、紙),填充劑組成,構(gòu)成電的絕緣體,稱為電介質(zhì)?;膶?shí)際上就是整塊印制板中的一個(gè)電容器。
● Dk大,表示存儲(chǔ)電能大,電路中信號傳播速度就會(huì)變低。
● Dk小,電信號傳播速度就快。
● 通常,印制板上的電流信號的電流方向,是正電、負(fù)電相互交替變化的,這樣頻率化的交換,相當(dāng)于 “充電—放電—充電” 的過程。在互換中,只要有少量電容存留,就會(huì)影響傳輸速度。
● 在高頻線路中,信號傳播速度公式:
V—信號傳播速度
K—常數(shù)
C—光速,3×108m/s
Dk—基板介電常數(shù)
● 降低Dk,有利于提高信號的傳播速度。Dk越大,傳輸速度就會(huì)越低。Dk越小,傳輸速度越快。
● 因此,利用PCB的低介電常數(shù),來達(dá)到信號傳播的高速度。
這就是為什么高頻微波印制板要求低介電常數(shù)的原因。
(3)低Dk基材
● PTFE(聚四氟乙烯),俗稱Teflon。
分子結(jié)構(gòu): 。分子結(jié)構(gòu)是對稱的,因而具有優(yōu)良的物理、化學(xué)、電氣性能。相對密度2.14~2.20。熔點(diǎn)327℃,吸水性(24小時(shí))<0.01%。
● “塑料王”:耐許多強(qiáng)腐蝕性物質(zhì),至今尚無一種能在300 ℃ 以下溶解它的溶劑。
● PTFE,Dk=2.1,很低。
聚四氟乙烯玻纖布覆銅板,在12GHz下,Dk=2.60;在1MHz下,Dk=2.62。而FR4的Dk=4.9。
因此,PTFE的Dk比FR4低47%,PTFE印制板的信號傳播速度快40%以上。
● PTFE缺點(diǎn)
剛性差,銑外形毛刺多,PTH困難,成本高,加工困難。
● 除FTFE外,其它Dk低的基材
基材的Dk低,需選用低Dk樹脂,玻纖,填料。
聚丙醚Dk2.5,氰酸酯2.9,聚丁二烯3.0,環(huán)氧樹脂3.9,電子級玻纖Dk6.6,新型NE玻纖布4.4。
低Dk樹脂+低玻纖布組合加工而成的低Dk覆銅板有以下幾類:
PI—聚酰亞胺環(huán)纖布覆銅板,Dk3.8;PPO—聚苯醚玻纖布覆銅板,Dk3.5;
CE—氰酸酯玻纖布覆銅板,Dk4.0;BT—雙馬來酰亞胺改性三嗪Dk4.1~4.3。
● 最低Dk的基材
Dk=1.15~1.35(不含PTFE)
介質(zhì)損耗Df=0.002-0.005,比重0.35g/cc,吸水率<0.5%。
峰房式結(jié)構(gòu)。輕型,不耐熱。作高頻微波金屬天線(美國Arlon公司產(chǎn)品)。
2.5 介質(zhì)損耗因素(Df)
(1)定義:
● 電介質(zhì)材料在交變電場作用下,由于發(fā)熱而消耗的能量稱為介質(zhì)損耗。
通常以Df或tanδ表示。也稱介質(zhì)損耗角正切。
(2)Dk和Df成正比例。
● Dk小,Df也小,即能量損耗也小。
● PTFE的Df=0.002,比FR4的Df=0.02低了10倍。
PTFE基材的Dk,Df都小,且穩(wěn)定,幾乎沒有變化。
PTFE具有優(yōu)秀的耐潮濕性,吸水率非常小。
PTFE絕緣性能很高,1014~1015歐姆。
(3)其它高頻微波板材Df
● PI(聚胺亞胺)0.008;
● PPO(聚苯醚,PPE)0.003;
● CE(氰酸酯)0.006~0.008;
● BT(雙馬來酰亞胺改性三嗪)0.004~0.008。
2.6 其它性能
● 基材結(jié)構(gòu)—玻纖,纖維;樹脂—環(huán)氧,PI,PPO;填料—陶瓷,云母……。(對加工工藝有影響)
● CTE(熱膨脹系數(shù))
Dk 2.1~2.7,X-Y方向的CTE是小的,一般9-35;Z軸方向大,150-300PPm/℃(CTE對印制板可靠性有影響)。
● 其它—?jiǎng)冸x強(qiáng)度,絕緣電阻,吸水性,阻燃性,Tg,耐熱性(對加工過程,產(chǎn)品使用有影響)。
例:Rogers R04003,玻纖+陶瓷,Tg280℃,Dk3.38,Df0.0022,加工性能同F(xiàn)R4相似,不阻燃,371 ℃(700℉)著火。
Rogers R04350,性能同R04003, Dk3.48,Df0.0040,阻燃94V~0。
● 基材銅厚,板厚。
銅箔—常用0.25,0.5,1.0,2.0,OZ(盎司)
板厚—0.1,0.2,0.5,直至2.4mm都存在。
通常,考慮價(jià)格性能比,用簿板,≤0.8,0.5,0.3mm常用(高頻微波基材比FR4貴幾倍,十幾倍)。
板厚通常不含銅厚。
2.7 Dk=1.15~10.2的各種板材
● 供應(yīng)商:美國
Rogers,Arlon,Taconic,Metclad,GIL,Polyfon,IsoLa。
● Dk1.15~10.5,全球有100~200個(gè)品種。(見另外的附表)
● 日本:三菱瓦斯,松下,住友,日立化成,Chukok等。
● 國產(chǎn):泰州高頻覆銅箔板材廠,西安704所等。
● 影響高頻微波板關(guān)鍵性性參數(shù)是Dk和Df,通常Dk最低值2.17,Df0.001。
● Dk低的板材,通常是PTFE+玻纖。
● Dk3.2-3.8,不含PTFE,其結(jié)構(gòu)是聚酯,聚酰亞胺,聚丙醚,玻纖,陶瓷。加工性能類似于FR4。
● 高頻微波多層板,應(yīng)選擇相匹配的半固化片(PP)。Dk2.3~3.5常用。
● Dk在不同頻率下測試會(huì)有些變化,但變化量不大。
例如:頻率從500MHz變化到10GHz,PTFE的Dk變化為0.5%,而FR4變化為7%。
2.8 高頻微波印制板基本要求:
(1)Dk,介質(zhì)層厚度,銅厚符合圖紙要求。
(2)線寬/間距公差要求嚴(yán)格。
● IPC-6018,±10%。
● 實(shí)際上,很多客戶要求, ±0.02mm, ±0.015mm。
特性阻抗公式:
Dk—介電常數(shù),H—介質(zhì)厚度(不含銅厚)
W—線寬,T—導(dǎo)線厚。
上述4個(gè)因素,影響最大的是H(介質(zhì)厚度),其次是Dk,W,最小的是T。選定基材后,Dk,H變化小,T(導(dǎo)線厚)較易控制,W(線寬)控制成為工程設(shè)計(jì)定型后生產(chǎn)PCB的難點(diǎn)之一。
線寬控制±0.02mm是關(guān)鍵。
(3)導(dǎo)線劃傷,凹坑,缺口,針孔,不允許。
阻焊厚度會(huì)影響高頻信號傳輸。
孔內(nèi)銅厚也會(huì)對信號傳輸有影響。
(4)對PTFE,熱沖擊228℃,10秒,1-3次,PTH孔不發(fā)生孔壁分離。
2.9 PTFE印制板生產(chǎn)工藝技術(shù)
2.9.1 PTFE印制板加工難點(diǎn)
(1)鉆孔
● 基材柔軟,疊板數(shù)不能多。
● 轉(zhuǎn)速要慢些。
● 基材磨損鉆頭利害。
● 鉆頭頂角、螺紋角有其特殊要求。
(2)印阻焊
● 絲印前不能用刷輥磨板(氟樹脂的影響,附差力)。
(鈍化,水洗,吹干;化學(xué)法處理)
(3)HAL(熱風(fēng)整平)
● 預(yù)熱
● 無鉛HAL,錫缸溫度265℃(避免板材急速加熱,影響到導(dǎo)線,焊盤脫落或翹起)。
(4)銑外形
選合適的銑刀和參數(shù)(否則,毛刺多)。
(5)工序轉(zhuǎn)運(yùn)
防劃傷、針孔、壓痕、缺口。
特制裝載轉(zhuǎn)序工具。
(6)蝕刻
嚴(yán)格控制線寬。百倍鏡檢查。
(工程設(shè)計(jì),蝕刻參數(shù),管理……)
(7)PTH—難點(diǎn)之一,關(guān)鍵步驟之一。
● 傳統(tǒng)的PTH工藝行不通。PTFE基材孔內(nèi)不潤濕。
● 方法一:金屬鈉,萘,四氫呋喃液—化學(xué)法。
形成萘鈉絡(luò)合物,浸蝕孔內(nèi)PTFE表層分子,達(dá)到潤濕孔的目的。
優(yōu)點(diǎn):效果良好,質(zhì)量穩(wěn)定,適宜量產(chǎn)。一次性投入成本不高。
缺點(diǎn):毒性大,鈉易燃,危險(xiǎn)。需強(qiáng)烈抽風(fēng),專門房間,專人管理。
● 方法二:等離子體法(Plasma)。
在二個(gè)高壓電極之間注入CF4,氬氣,氮?dú)?,氧氣。PCB放在二個(gè)電極之間,腔體內(nèi)形成等離子體狀態(tài),從而把孔內(nèi)鉆污、臟物除掉。
優(yōu)點(diǎn):效果佳,質(zhì)穩(wěn)定,適宜批量生產(chǎn),工藝簡單,易控制,毒性小,干凈。
缺點(diǎn):設(shè)備價(jià)貴。
2.9.2 雙面PTFE印制板的制造
(1)工藝流程
工程設(shè)計(jì)→下料→鉆孔→孔處理→PTH →全板鍍→光成象→QC→圖形鍍→蝕刻→防氧化處理→QC→阻焊/字符→HAL(或沉Ni/An,Ag,Osp)→外形加工→FQA→包裝出貨。
(2)控制要點(diǎn)—化學(xué)沉銅前
● 板材存放平放:下料時(shí),不必烘板。
● 鉆孔:參數(shù)同F(xiàn)R4不一樣,用新鉆頭。2拼板/疊(0.8~1.6mm板厚)。
鉆頭形狀:頂角120℃,螺紋角27 ℃。
● 鉆孔后,輕度刷板,高壓水洗。磨痕寬度8-10微米。
● 孔處理:
A、化學(xué)法:
● 萘納處理槽→溶劑處理槽→熱水洗(2次) →烘干→PTH。
● 萘鈉槽:不銹鋼槽,蓋密封,充氮?dú)猓ㄊ箍諝馀c藥液表面形成界面,隔絕水 份,空氣進(jìn)入)
● 槽架:不銹鋼。
● 鈉金屬:盛裝于煤油中,切成小塊投入槽中溶解,不銹鋼棒攪拌。嚴(yán)禁水帶入(否則會(huì)燃燒爆炸)。室溫下,浸泡幾分鐘。
● 房間:強(qiáng)抽風(fēng),地板干燥,不存放酸、堿或無關(guān)物品,外人不許進(jìn)入,板子處理后吹干。操作人員經(jīng)特殊培訓(xùn)。
● 溶劑處理槽:無色透明溶劑,低沸點(diǎn),易燃。室溫下浸泡幾分鐘。塑料槽。目的是去除殘余的萘鈉溶液。
●熱水洗:55℃,浸泡2-3分鐘,轉(zhuǎn)入自來水洗。
● 板子要吹干。
● 板子經(jīng)處理后進(jìn)入PTH生產(chǎn)線,不必進(jìn)入除鉆污槽,從降油槽開始,正常的PTH工藝。
B、Plasma法:
● 等離子體是物質(zhì)存在的另外一種表現(xiàn)形式,是物質(zhì)存在的第4種形態(tài)(固、液、氣三態(tài))。
● 等離子體在許多方面類似氣體,但在某些方面卻存在重要區(qū)別。
● 等離子體由帶正電荷、負(fù)電荷離子以及游離基團(tuán)和紫外線輻射粒子所組成,就是說,等離子體是離子化的氣體,是一種能量提升狀態(tài)的氣體。
● 等離子體的活性很強(qiáng),正是利用這個(gè)特性,驅(qū)使它和環(huán)氧或聚四氟乙烯鉆污起化學(xué)反應(yīng)而消除之。在PCB生產(chǎn)工藝中,去鉆污使用高錳酸鉀法,濃硫酸法等,這些方面對FR4基材的多層板有效,但對PTFE基材不起作用。
等離子體對PTFE基材鉆污可以起到化學(xué)反應(yīng)。
● 很顯然,等離子體及其活性是極不穩(wěn)定的,需要高頻電磁場能量。當(dāng)某種條件中止或消失時(shí),等離子體組成中的各種粒子會(huì)瞬間互相選擇地結(jié)合起來,等離子體退化為原始的氣體態(tài),活性消失,等離子體也就不再存在。
● 等離子體的生成條件。
1)一個(gè)容器腔體形成真空狀態(tài)。
2)以高頻發(fā)生器向腔體內(nèi)的正負(fù)電極施加高頻電磁場。
3)在腔體內(nèi),注入所需的氣體。氣體在正、負(fù)電極間被電離,形成等離 子體。
4)當(dāng)不存在抽真實(shí)狀態(tài),高頻電磁場消失,等離子體即成為原始?xì)怏w狀態(tài)。
● 等離子體去除鉆污
在抽真空的腔體內(nèi)(抽真空幾十至100m Torr [托] )
在二個(gè)正負(fù)電極中加高頻電磁場,注入氣體(CF4,N2,Oz,Hz),從而形成等離子體。
放在二塊電極之間的印制板孔內(nèi)表面上的PTFE鉆污、臟物等固體與等離子體接觸起化學(xué)反應(yīng),生成新的氣體化合物被真空泵帶走,從而使PTFE印制
板孔內(nèi)的氟樹脂由非極性變成極性。
● 清洗孔的二個(gè)步驟:
第一步:除毛刺。氣體CF4(25%),N2(25%),O2(50%),75℃,
15分鐘。
第二步:除孔內(nèi)鉆污。氣體:N2(80%)H2(20%),75 ℃, 20分鐘。
一步法:混合氣體O2/CF4/N2(80/10/10),30分鐘,效果不錯(cuò)。有人用二種混合氣體H2/N2(70%/30%)作處理R03000板材(Dk=3.0)。
使用不同氣體和比例會(huì)獲得不同效果。對不同高頻微波板材,處理用的氣體及參數(shù)也有所不同,要通過實(shí)踐摸索本企業(yè)的使用氣體和相關(guān)參數(shù)。
● 等離子體系統(tǒng)(設(shè)備)組成:
五個(gè)部分:腔體(方形、園形),真空泵,高頻發(fā)生器,控制器,混合氣體源。(設(shè)備系統(tǒng)包含不同的技術(shù)專利)。
● 板子經(jīng)Plasma處理后應(yīng)馬上進(jìn)行化學(xué)沉銅,不應(yīng)停留超過24小時(shí)。
C、孔的前處理的其它方法:
除了萘鈉化學(xué)法,Plasma法作孔的前處理外,還有其它的方法:(文獻(xiàn)收集)
1)復(fù)合型PTFE板,浸泡新型玻璃蝕刻液。
● 成份:氟化氫銨20%,硫酸10%,30-40℃,1-1.5分鐘。
● 過程:板子除油,清洗,微蝕,清洗,浸泡本溶液,清洗,板子進(jìn)入預(yù)浸、 活化、還原、PTH、清洗、板面鍍銅、轉(zhuǎn)入光成象。
2)二步法:
第一步:氟化氫銨(10-20%),10%硫酸混合液,40℃,2分鐘。
第二步:氫氧化鈉(5~10%),硫酸亞錫(20%)混合液處理。1分鐘, 水洗,然后PTH。
3)在制板,浸泡四氫呋喃(100%)液,3-5分鐘,水洗,酸洗,化學(xué)沉銅,極面電鍍,光成象。
4)在制板,在沉銅缸前的各處理槽連續(xù)走二次(包括活化槽),再作沉銅。
● 以上幾種處理方法,來自文獻(xiàn)報(bào)道,僅供參考。
經(jīng)典方法是鈉萘化法,Plasma法。
● 考核PTFE成品板方法:
熱風(fēng)整平(250-265℃),3秒/次,3次;熱沖擊(288℃,10秒)。
作微切片,觀察金屬化孔:孔壁無剝離,鍍層和拐角無裂紋,無空洞,焊盤不起翹,孔內(nèi)銅厚≥20微米。
(3)控制要點(diǎn)——沉銅、光成象、圖鍍、蝕刻、阻焊、外形加工。
● 背光檢測,全板鍍銅后。
● 全板鍍,圖形鍍銅,低電流密度,長周期參數(shù)生產(chǎn)。控制孔內(nèi)銅和表面銅厚均勻性。(線路銅厚不均勻,影響蝕刻,影響線寬公差±0.02mm控制)。
● 蝕刻后必查線寬/間距。(注意底片線寬工藝補(bǔ)償值——經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié))。
● 蝕刻后防氧化處理,苯駢三氮唑液,使銅表面形成一層無色保護(hù)膜。
● 阻焊:不許機(jī)械磨板,否則會(huì)破壞PTFE基材,影響阻焊與基材間附差差力。只能化學(xué)清洗。
有的PTFE板,阻焊劑僅印在線路上,覆蓋線邊緣0.25mm,基材上不讓印阻 焊。否則影響信號傳輸。
PTFE板軟,烘板要作特殊插架,防板翹曲,防沾污板面。