微波用复合聚四氟乙烯多层印制板制造技术

    随着信息网络技术的迅猛发展，超高速、超高频微波技术被广泛应用，特别是美国、日本等发达国家，已将高频微波技术广泛应用于军事领域，如制导、无线电通讯、巡航导弹等。用于高频微波方面的印制板也向高密度、多层数方面发展。高频微波用多层板要求比普通多层板更低的介质损耗。通常采用聚四氟乙烯(PTFE)或聚苯醚/环氧材料。常见的高频微波用多层板共分为两类：第一类是采用低介电常数聚四氟乙烯层压板和粘结片的全聚四氟乙烯多层板；第二类是复合的聚四氟乙烯多层板，即采用低介电常数聚四氟乙烯层压板和其它类型粘结材料如玻璃布增强的环氧树脂(FR-4)半固化片或聚酰亚胺的半固化片、或其他热塑性材料压制而成，其中最常用的是玻璃布增强的环氧树脂(FR—4)半固化片。第一类由于成本极高只应用于高频要求的军事设备，而第二类则广泛应用于商业的微波电路中。环氧半固化片复合的聚四氟乙烯多层板不仅成本低，可以采用常规多层板的制造设备和工艺。在电路设计方面，它最大的优点是能将数字电路和射频电路(RF)合为一体，从而不仅减小了整个印制板的尺寸和组装的体积，而且增加了聚四氟乙烯印制板的硬度。国外已广泛应用于功率放大器、微波的发射接收、无线电通讯如无绳电话等。采用环氧半固化片的复合聚四氟乙烯多层板的工艺流程见图1，本文将着重讨论这种复合聚四氟乙烯多层板的制造技术。

复合聚四氟乙烯多层板的工艺流程
    2.1 复合聚四氟乙烯板的多层压制技术
    复合聚四氟乙烯多层板采用的粘结材料主要分为两大类：热塑性和热固性。当应用的频率较高(高于1GHz)时，应采用与聚四氟乙烯电性能接近的热塑性材料。热塑性材料没有玻璃化温度(Tg)，当工作温度较高时，就会随湿度的升高而变软，当温度超过了熔点时，热塑性材料就会再次熔化甚至导致分层。因此使用这种材料时，一定要注意控制工作温度在额定范围内。聚四氟乙烯本身虽然属于热塑性材料，但具有非常稳定的化学性和高频高温下优异的电气性能，优于常用的热固性材料，当应用的频率不高(低于1GHz)时，可以使用热固性材料如环氧、聚酰亚胺等半固化片，虽然半固化片在温度高时也会变软，但即使是当温度接近玻璃化温度时，也不会分层。热固性材料虽然具有良好的结合力，但却牺牲了多层板的电性能。低介电常数的热塑材料和环氧半固化片特别适用于高速数字电路的应用、微波的发射和接受系统等。这不但保证了印制板特殊的电性能要求，而且还可以采用环氧多层板相同的压制工艺。
    复合聚四氟乙烯多层板的压制工艺因使用的材料不同而不同，环氧半固化片复合的聚四氟乙烯多层板层压的工艺参数与常规多层板一样，典型值为：温度173℃，压力20~30Kg／cm2，时间90min，150℃下后固化4小时。
    2．2 机加工
    2．2.1 钻孔
    通常机械加工参数的确定取决于以下因素：材料的类型(编织的、不编织的或陶瓷填充的等)，板厚孔径比、基材的含胶量、钻头的几何参数等。玻璃布增强的聚四氟乙烯基材是众多聚四氟乙烯板材中最常用的一种，同时也是机加工最麻烦的材料。FR—4板材本身的硬度对玻璃纤维束起到了支撑的作用，能防止纤维束被钻头推入基材中。而聚四氟乙烯树脂比较柔软，当钻头不够锋利或切削速度不当时，不但会产生钻污、毛刺及造成缠刀，而且玻璃纤维束还可能嵌入基材中或造成纤维的撕裂，导致金属化孔内的空洞。
    通常FR—4印制板使用的顶角为130°的硬质合金钻头，完全适用于聚四氟乙烯覆铜板或复合聚四氟乙烯多层板，钻孔应使用新的钻头，一般不应使用翻磨过的钻头，每1，000~2，000孔换钻头。钻?1．0mm孔的进给和转速的典型值分别为：41mm／sec和37，000RPM，退钻速度为750in／min。按照经验，采用较低的进给和转速能得到较好的钻孔质量，但还应综合考虑孔径大小、基材的含胶量以及是否缠刀等。上垫板可采用0．3~0．5mm厚的酚醛纸板，下垫板可采用2．3~3．2mm厚的酚醛纤维板。聚四氟乙烯覆铜板钻孔时常常发生缠刀的情况，应注意观察每种孔径的缠刀情况，适当调整吸尘水平和退钻速度。高质量的钻孔应没有钻污，并且板子两面的毛刺都非常小。总之在优化了钻孔的进给、转速、退钻速度、压脚的压力、吸尘水平以及适当的上下垫板后，完全可以取消去毛刺工序。  
    2．2. 2 外形铣  
    复合聚四氟乙烯多层板外形铣的典型工艺参数为：进给为60mm／sec，转速为20，000RPM，上垫板为0．3~0．5mm厚的酚醛纸板，下垫极为2．3~3．2mm厚的酚醛纤维板，反时针方向铣，根据印制板的厚度选择1~4块的叠层。聚四氟乙烯板材的外形铣经常产生毛边，要避免毛边除调整工艺参数外，正确的叠板方法也很重要(见图2)。外形铣后的印制板应表面清洁、边缘无明显的熔化毛边，否则应用锋利的刀子刮去，注意不要削掉基材和边缘的铜箔，微波电路对导线和外形的精度要求十分严格。
    2．3 去钻污、凹蚀及孔化
    聚四氟乙烯属于非极性分子并且具有特殊的憎水性，憎水性造成材料本身不易润湿，这就给去钻污及凹蚀孔化带来相当大的难度。处理方法通常有两种，第一种采用等离子体处理，第二种采用化学溶液处理。前者需要专用设备，后者比较容易，成本低，但效果稍差。我们对这两种方法都进行了研究。
    2.3．1 等离子体处理  
采用专用的等离子体设备处理，具体工艺参数如表1所示。
表1 复合聚四氟乙烯板等离子体处理的典型参数
第一阶段  第二阶段  第三阶段
N2%  100  0  0
O2%  0  85~90  100
CF4%  0  10~15  0
系统压力（mTorr）  250  250  250
功率（KW）  3.5  3.5  3.5
温度（℃）  ~40  40~110  40~110
时间（min）  5  15~40  5
    通过等离子体处理之后，既可以清除孔壁钻污及凹蚀，同时还可以达到改善聚四氟乙烯表面的电性和分子改性的目的，从而使聚四氟乙烯多层板的孔壁能较好的被后续孔化溶液所润湿，从而达到最佳的孔化效果。
    2．3．2 化学溶液处理
首先需要采用普通刚性多层板洗孔用碱性高锰酸钾系列溶液清洗钻污，然后采用我中心研制的专用敏化和粗化溶液处理。未经处理的聚四氟乙烯基材按常规的孔金属化工艺孔化后，通过检孔镜我们会发现：不但纯聚四氟乙烯基材上无法沉铜，暴露在孔壁的玻璃纤维头和玻璃纤维束上也无法沉积上化学镀铜层。通过多次返工偶尔沉上铜也出现铜层剥落的现象，结合力不强。为了玻璃纤维表面粗化提高其表面润湿性，我们开发了一种新型的粗化处理溶液。为了验证粗化效果，我们进行了一组对比试验。
表2 粗化处理对孔金属化的影响
工艺路线  孔化后效果  不粗化  粗化
孔壁玻璃纤维上有无空洞  大量空洞  无
有无铜层剥落  有  无
    通过新型粗化溶液处理后，效果十分明显。不仅消除了玻璃纤维上的沉铜空洞，而且增加了化学镀铜层与孔壁的结合力，未发现化学镀层剥落的现象。这是由于粗化能使玻璃纤维表面产生微观粗化，有利于化学镀前处理溶液的润湿，有利于吸附活化剂，从而有利于化学镀铜。
新型的粗化处理溶液的组成及工艺条件如下：
  NH4HF  10—20g/l
  H2SO4(98％)  100ml/L
  35℃-40℃  1~1．5min
    粗化采用H2SO4，避免使用HCl，这是由于随着处理溶液中铜浓度的增加，铜离子和CL建立起CuCl2蚀刻体系，随Cu离子浓度的增加对Cu的腐蚀速度呈现加快的趋势。如图3所示。
    采用H2SO4体系减少了Cu的积累，从而延长了粗化液的寿命，并可防止聚四氟乙烯多层板产生负凹蚀和粉红圈。粗化不能太长，否则易引起玻璃纤维头产生芯吸现象，很容易在孔化时残存溶液，使金属化孔的可靠性下降。但粗化时间也不能太短，否则不能起到粗化的效果。
    粗化处理基本上解决了孔壁暴露的玻璃纤维部分的粗化和润湿问题，而对纯聚四氟乙烯部分效果不明显。还需要对这部分采取特殊的润湿处理。根据多年积累的生产经验和大量试验工作，我们采用新型润湿处理溶液，该溶液不含任何表面活性剂，是一种无机盐的酸性溶液。通过其润湿处理后，聚四氟乙烯表面的亲水性明显好转，极易清洗，不会在孔壁产生任何影响镀层结合力的残余物。就润湿处理效果我们进行了对比试验，试验结果见表2。
从表2可以看出该润湿处理能明显改善孔金属化效果，提高孔化的一次合格率。
表3  润湿处理对聚四氟乙烯基材孔金属化的影响
工艺路线  孔径  未经润湿处理  润湿处理
?0.6  良-中  优-良   ? 1.2  优-良  优   ? 3.2  优-良  优
为了比较化学溶液处理工艺、等离子体处理以及常规化学镀铜前处理工艺对聚四氟乙烯基材孔金属化的效果，我们进行一组对比试验，结果如下表4。通过表4可以发现采用这种新型的前处理工艺完全可以达到或接近等离子体处理的效果。
表4  不同处理方法聚四氟乙烯基材孔金属化的效果
工艺路线  孔径  常规化学镀铜前处理工艺  新型前处理工艺  等离子体处理
?0.6  差  优-良  优   ? 1.2  差  优  优   ? 3.2  差  优  优
  2.4 热应力试验
由于聚四氟乙烯基材的热膨胀系数随介电常数的减小而增大(见表5)，某X和Y方向的膨胀因受到玻璃布的控制和环氧基材相近，但是Z方向的热膨胀却远大于环氧多层板。制造高频微波用聚四氟乙烯多层板一般使用ε＞2．75的聚四氟乙烯基材，Z方向的热膨胀较大，需要严格控制镀铜工艺，确保电镀铜的高延展性和抗拉强度。为了试验复合聚四氟乙烯多层印制板金属化孔的可靠性，我们按印制板测试方法国标GB／T××××(等效IEC326—2)的9.2.6节的要求进行热应力试验。试验后未发现基材分层起泡等现象，作显微剖切未发现金属化孔分离或断裂。如图4所示。
表5 聚四氟乙烯覆铜板的热膨胀系数及应用范围
聚四氟乙烯基材介电常数  Z-方向的热膨胀系数（PPM/℃）  XY-方向的热膨胀系数（PPM/℃）  蚀刻掉铜后基材尺寸的变化（PPM）  应用频率（GHz）  适于制作的多层板的层数  与基材的结合力
2.95~3.2  70  9  200~400  0.1~15  1-5  好
2.75~2.95  70  9  220~400  0.1~15  1-10  好
2.45~2.65  140  12  400~600  0.8~35  1-4  一般
2.17~2.40  300  20  400~800  0.8~110  1-2  差
环氧4.7  215  16  <1  无层数限制  好
  三 结论
    环氧复合多层板与普通环氧玻璃布多层板相比，能提高信号的传输速度，减小印制板的尺寸，特别适用于时钟频率高于100MHz的工作站、芯片以及测试板和无线通讯等。同时在电路设计方面，它还能将数字电路和射频电路(RF)合为一体，有利于电子设备的小型化、轻量化、降低功耗、提高安全性，具有广阔的应用前景。在制造高频微波用聚四氟乙烯多层板的过程中，应严格按工艺要求操作，提高产品质量，降低生产成本。以上内容是我们在研究开发和生产过程中总结出的一些经验，供同行参考，不对之处多提宝贵意见。