2023年说说高频微波印制板和铝基板16509.doc

说说高频微波印制板和铝基板 发布:2023-9-12 9:39:11   　编辑: Janson   这二三年，在我们这个行业里，最时髦的技术和产品是HDI〔高密度互连〕、Build-up Multilayer〔积层印制板〕。然而，在市场经济和高科技含量产品的开展潮流中，还有另外一个分支，就是高频微波印制板和金属基印制板。今天，我就来说说这二个问题。 一、先说高频微波印制板 1.高频微波印制板在中国大地上热起来了。 近年来，在华东、华北、珠三角已有众多印制板企业在盯着高频微波板这一市场，在收集高频波、聚四氟乙烯〔Teflon，PTFE〕的动态和信息，将这类印制板新品种视为电子信息高新科技产业必不可少的配套产品，加强调研和开发。一些公司老总认定高频微波板为未来企业新的经济增长点。 国外专家预测，高频微波板的市场开展会非常快。在通信、医疗、军事、汽车、、仪器等领域，对高频微波板的需求正急速窜起。数年后，高频微波板可能占到全球印制板总量的约15%，台湾、韩国、欧、美、日不少PCB公司纷纷制订朝此方向开展方案。 欧美高频微波板材供给商Rogers、Arlon、Taconic、Metclad、GIL日本Chukoh近二年始向中国这个潜在的大市场进军，寻找代理、讲授相关技术。美国GIL公司在深圳举办一场“高频微波印制板之应用与制造技术〞讲座，数百个座位全部满座，走廊亦站满了企业代表听演讲，不少老总级的人物听了一整天的技术讲座。真没想到国内同行对高频板产生如此浓厚的兴趣。欧美板材供给商已可提供介电常数从2.10、2.15、2.17，……直到4.5，甚至更高的板材系列100多个品种。 在珠三角、长三角，据了解已有不少企业标榜可以批量订Teflon和高频板订单。据说，有企业已到达月产数千平方米的水平。国内不少雷达、通信研究所的印制板厂需求高频微波板材在逐年增大。国内华为、贝尔、武汉邮科院等大通信企业需求高频微波印制板在逐年增多，国外从事高频微波产品的企业亦搬迁来中国，就近采购高频微波用印制板。 种种迹象说明，高频微波板在中国热起来了。 〔什么叫高频？300MHZ以上，即波长1米以上的短波频率范围，一般称为高频。〕 2.为什么热了起来？ 有三方面原因。 〔1〕原属军事用途的高频通信的局部频段让给民用〔1996年开始〕，使民用高频通信大大开展。在远距高通信、导航、医疗、运输、交通、仓储等各个领域大显身手。 〔2〕高保密性、高传送质量，使移动 、汽车 ，无线通信向高频化开展，高画面质量，使播送电视传输，用甚高频、超高频播放节目。高信息量传送，要求卫星通信，微波通信和光纤通信必须高频化。 〔3〕计算机技术处理能力增加，信息记忆容量增大，迫切要求信号传送高速化。 总之，电子信息产品高频化、高速化对印制板的高频特性提出了高的要求。 3.为什么要求印制板低ε〔Dk〕 ε或Dk，叫介电常数，是电极间充以某种物质时的电容与同样构造的真空电容器的电容之比。通常表示某种材料储存电能能力的大小。当ε大时，储存电能能力大，电路中电信号传输速度就会变低。通过印制板上电信号的电流方向通常是正负交替变化的，相当于对基板进行不断充电、放电的过程。在互换中，电容量会影响传输速度。而这种影响，在高速传送的装置中显得更为重要。ε低表示储存能力小，充、放电过程就快，从而使传输速度亦快。所以，在高频传输中，要求介电常数低。 另外还有一个概念，就是介质损耗。电介质材料在交变电场作用下，由于发热而消耗的能量称之谓介质损耗，通常以介质损耗因数tanδ表示。ε和tanδ是成正比的，高频电路亦要求ε低，介质损耗tanδ小，这样能量损耗也小。 4.聚四氟乙烯〔Teflon〕印制板的ε 在印制板基材中，聚四氟乙烯基材的介电常数ε最低，典型的仅为2.6~2.7，而一般的玻璃布环氧树脂基材的FR4的介电常数ε为4.6~5.0，因此，Teflon印刷板信号传输速度要比FR4快得多〔约40%〕。Teflon板的介于损耗因素为0.002，比FR4的0.02低了10倍，能量损耗也小得多。加上聚四氟乙烯称之为“塑料王〞，电绝缘性能优良，化学稳定性和热稳定性也好〔至今尚无一种能在300℃以下溶解它的溶剂〕，所以，高频高速信号传递就要先用Teflon或其它介电常数低的基材了。笔者看到，Polyflon、Rogers、Taconic、Arlon、Meclad都可提供介电常数为2.10、2.15、2.17、2.20的基材，其介质损耗因素在10GHZ下是0.0005~0.0009。聚四氟乙烯基材性能很好，但其加工成印制板的过程同传统的FR4有着完全不同的工艺途径，这方面在后面会谈到。 这二年，我们在实践中，除用到要求ε为2.15、2.6的以外，还经常用到ε3.38、3.0、3.2、3.8等Rogers RO4000、GIL1000系列等。 5.高频微波板的根本要求 ·由于是高频信号传输，要求成品印制板导线的特性阻抗是严格的，板的线宽通常要求±0.02mm〔最严格的是±0.015mm〕。因此，蚀刻过程需严格控制，光成像转移用的底片需根据线宽、铜箔厚度而作工艺补偿。 ·这类印制板的线路传送的不是电流，而是高频电脉冲信号，导线上的凹坑、缺口、针孔等缺陷会影响传输，任何这类小缺陷都是不允许的。有时候，阻焊厚度也会受到严格控制，线路上阻焊过厚、过薄几个微米也会被判不合格。 ·热冲击288℃，10秒，1~3次，不发生孔壁别离。对于聚四氟乙烯板，要解决孔内的润湿性，作到化学沉铜孔内无空穴，电镀在孔内的铜层经得起热冲击，这是作好Teflon孔化板的难点之一。正因为如此，许多基材厂商研发生产出ε高一点，而化学沉铜工艺同常规FR4作法一样的替代品，Rogers Ro4003(ε3.38)和西安704厂的LGC-046(ε3.2±0.1)就是这类产品。 ·翘曲度：通常要求成品板0.5~0.7%。 6.高频微波板的加工难点 基于聚四氟乙烯板的物理、化学特性，使其加工工艺有别于传统的FR4工艺，假设按常规的环氧树脂玻纤覆铜板相同条件加工，那么无法得到合格的产品。 〔1〕钻孔：基材柔软，钻孔叠板张数要少，通常0.8mm板厚以二张一叠为宜；转速要慢一些；要使用新钻头，钻头顶角、螺纹角有其特殊的要求。 〔2〕印阻焊：板子蚀刻后，印阻焊绿油前不能用辊刷磨板，以免损坏基板。推荐用化学方法作外表处理。要做到这一点：不磨板，印完阻焊后线路和铜面均匀一致，没有氧化层，决非易事。 〔3〕热风整平：基于氟树脂的内在性能，应尽量防止板材急速加热，喷锡前要作150℃，约30分钟的预热处理，然后马上喷锡。锡缸温度不宜超过245℃，否那么孤立焊盘的附着力会受到影响。 〔4〕铣外形：氟树脂柔软，普通铣刀铣外形毛刺非常多，不平整，需要以适宜的特种铣刀铣外形。 〔5〕工序间运送：不能垂直立放，只能隔纸平放筐内，全过程不得用手指触摸板内线路图形。全过程防止擦花、刮伤，线路的划伤、针孔、压痕、凹点都会影响信号传输，板子会拒收。 〔6〕蚀刻：严格控制侧蚀、锯齿、缺口，线宽公差严格控制±0.02mm。用100倍放大镜检查。 〔7〕化学沉铜：化学沉铜的前处理是制造Teflon板的最大难点，也是最关键的一步。有多种方法作沉铜前处理，但总结起来，能稳定质量适合于批量生产的，不外乎二种方法： 方法一：化学法：金属钠加荼四氢肤喃等溶液，形成荼钠络合物，使孔内聚四氟乙烯表层原子受到浸蚀到达润湿孔的目的。这是经典成功的方法，效果良好，质量稳定，但毒性大，金属钠易燃，危险性大，需专人管理。 方法二：Plasma〔等离子体〕法：需要进口的专用设备，在抽真空的环境下，在二个高压电极之间注入四氟化碳〔CF4〕或氩气〔Ar2〕氮气〔N2〕、氧气〔O2〕气体，印制板放在二个电极之间，腔体内形成等离子体，从而把孔内钻污、脏物除掉。这种方法可获得满意均匀一致的效果，批量生产可行。但要投资昂贵的设备〔每台机约十多万美元〕，美国有名的Plasma设备公司有二家：APS、March。 近年国内的一些文献亦介绍了其它多种方法，但经典有效的方法是以上的二种。 对ε3.38和Rogers Ro4003高频基材，具有聚四氟乙烯玻纤基材类似的高频性能，又具有FR4基材类似的容易加工的特点，这是以玻纤和陶瓷作填料，玻璃化温度Tg>280℃的高耐热材料。这种基材钻孔非常耗钻头，需使用特殊的钻机参数，铣外形要常换铣刀；但其它加工工艺类似，不需要作特殊的孔处理，所以得到了许多PCB厂和客户的认可，但Ro4003不含阻燃剂，板子到达371℃，板子可引起燃烧。国营704厂LGC-046板材，为改性聚苯醚〔PPO〕型，介电常数3.2，加工性能同FR4，这个产品在国内亦获得不少单认可使用。 7.高频微波板用在哪里？ 卫星接收器、基地天线、微波传输、汽车 、全球定位系统、卫星通信、通信器材转接器、接收器、信号振荡器、家庭电器联网、高速运行计算机、示波器、IC测试仪器等等，高频通信、高速传输、高保密性、高传送质量、高记忆容量处理等通信和计算机领域都需要高频微波印制板。 8.国内外高频微波板材概况 国内，除了上述谈到的704厂LGC-046改性聚苯醚板材外，泰州高频覆铜箔板材厂TF-2、F4B、F4BK高频微波、聚四氟乙烯板材亦卖得很红火。据说，北京、长三角、广东亦有多间企业在启动、开工。 国外，主要板材供给商有：欧美Rogers、Arlon、GIL Taconic、Metclad、Isola、Polyclad，日本Asaki、Hitach、ehemical、Chukok等，已形成约高频微波用的纸130个不同介电常数的品种。 目前的国内外差距：品种、质量稳定一致性、价格；国外大客户认可中国产品有一定难度，等等。 板材厚度，使用1.5~1.6mm的不多，而0.5、0.8、1.0mm那么是比拟普通，主要考虑是本钱。Teflon板材价格是普通FR4的5~10倍，批量采购亦需约100美元/m2，零星购置需几百美元/m2。 小结：高频微波板材应当是高新科技的新品种，随着通信、计算机不断向高频高速开展，未来用途必定会越来越广，越来越大。板材价格亦高，有较大的利润空间，这种产品是有光明前途的。 二、然后再说说金属铝基板 1.为什么使用金属基印制板？ 〔1〕散热性 目前，很多双面板、多层板密度高、功率大，热量散发难。常规的印制板基材如FR4、CEM3都是热的不良导体，层间绝缘，热量散发不出去。电子设备局部发热不排除，导致电子元器件高温失效，而金属基印制板可解决这一散热难题。 〔2〕热膨胀性 热胀冷缩是物质的共同本性，不同物质CTE(Coefficient of thermal expansion)即热膨胀系数是不同的。 印制板是树脂+增强材料〔如玻纤〕+铜箔的复合物。在板面X-Y轴方向，印制板的热膨胀系数〔CTE〕为13~18 PPM/℃，在板厚Z轴方向为80~90PPM/℃，而铜的CTE为16.8PPM/℃。片状陶瓷芯片载体的CTE为6PPM/℃，印制板的金属化孔壁和相连的绝缘壁在Z轴的CTE相差很大，产生的热不能及时排除，热胀冷缩使金属化孔开裂、断开，这样机器设备就不可靠了。 SMT〔外表贴装技术〕使这一问题更为突出，成为非解决不可的问题。因为外表贴装的互连是通过外表焊点的直接连接来实现的，陶瓷芯片载体CTE为6，而FR4基材在X-Y向CTE为13~18，因此，贴装连接焊点由于CTE不同，长时间经受应力会导致疲劳断裂。 金属基印制板可有效地解决散热问题，从而使印制板上的元器件不同物质的热胀冷缩问题缓解，提高了整机和电子设备的耐用性和可靠性。 〔3〕尺寸稳定性 金属基印制板，显然尺寸要比绝缘材料的印制板稳定得多。铝基印制板、铝夹芯板，从30℃加热至140~150℃，尺寸变化为2.5~3.0%. 〔4〕其它原因 铁基印制板，具有屏蔽作用；替代脆性陶瓷基材；放心使用外表安装技术；减少印制板真正有效的面积；取代了散热器等