多层微波印制板制造工艺及装联技术研究

崔 洁，杨维生

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

多层微波印制板制造工艺及装联技术研究

崔 洁，杨维生

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

使用CLTE-XT微波基板、fastRise-28和CuClad6700粘结片，重点研究了多层微波印制板制造工艺中多层化压制、数控钻孔、孔壁钻污处理、孔金属化活化处理等关键工艺，实现了陶瓷粉填充聚四氟乙烯介质多层印制板的制造。此外，对多层微波印制板后续电子装联技术进行了探讨。本项研究结果表明，选用合适的粘结片材料，能够实现聚四氟乙烯树脂体系基板材料的多层化制造。

微波；多层印制板；装联技术

引 言

微波通讯设备小型化、模块化的飞速发展对多层微波印制板的需求变得越来越迫切[1]，多层微波印制板制造工艺成为当前印制板制造工艺研究领域内一项新的课题。

多层微波印制板的制造离不开微波介质覆铜板和粘结片材料。20世纪90年代末，美国Rogers公司生产的RT/Duroid系列主要有玻璃短纤维增强聚四氟乙烯(PTFE)覆铜板、陶瓷粉填充聚四氟乙烯覆铜板；此外，美国Arlon公司、Taconic公司也推出其微波基板材料，为广大通讯设计者提供了更为宽阔的选择范围。为适应印制板制造工艺，材料供应商也开发出了多种粘结片材料，包括热固性粘结片和热塑性粘结片。

微波介质覆铜板和粘结片材料的多样性给多层微波印制板制造工艺的研究带来了较大的困惑[2]。对于雷达类产品用多层微波印制板的设计和制造，多数选用介电常数2.94左右、陶瓷粉填充的聚四氟乙烯覆铜箔层压板材料。为此，本文围绕雷达产品从多层微波印制板需要出发，选择陶瓷粉填充的聚四氟乙烯覆铜箔层压板材料、Arlon公司的CuClad6700热塑性粘结片材料和Taconic公司的fastRise-28热固性粘结片材料，重点对微波多层印制板制造的难点——多层压制工艺和高厚径比孔金属化制作，开展相关研究工作。

同时，鉴于多层微波印制板的厚度较大，孔径尺寸差异较大，多层微波印制板不仅采用热固性粘结片材料，有时还采用热塑性粘结片，装联工艺有其特殊性。因此本文针对多层微波印制板后续电子装联实现技术进行探讨，以便为微波多层印制板的推广应用提供参考数据。

1 试验方法

1.1 覆铜箔层压板材料选择

如前所述，覆铜箔层压板材料多样。表1为三家材料商提供的微波基板。其中，Rogers公司生产的RT/duroid 6002板材，是一种陶瓷粉填充的聚四氟乙烯覆铜箔层压板材料；Arlon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覆铜箔层压板材料；Taconic公司生产的TSM-29板材，也是一种陶瓷粉填充、玻璃纤维增强的聚四氟乙烯覆铜箔层压板材料。

表1 RT/duroid 6002、CLTE-XT、TSM-29微波基板性能一览

虽然聚四氟乙烯树脂体系介质基板材料因陶瓷粉填充方式、层压设备、工艺水平及制程能力的差异，即使是相同介电常数的材料，其可制造性能也会存在不同程度的差异[3]。本文选择Arlon公司生产的CLTE-XT板材作为覆铜箔层压板，开展多层微波印制板的制造工艺试验，不仅可研究、验证该板材的层压、孔金属化工艺参数，也可为其他聚四氟乙烯树脂体系介质基板材料的多层微波印制板工艺提供参考。

1.2 粘结片材料选择

可选粘结片材料品种繁多，常用的粘结片见表2。

表2 常用粘结片性能一览

由表2可见，尽管可选粘结片材料品种繁多，但大体可分为热固性粘结片和热塑性粘结片。两类粘结片采用的树脂不同，对多层微波印制板的压制工艺、孔金属化工艺及后续电子装联工艺可能存在不同的特点。因此本文分别选择了Taconic公司的fastRise-28热固性粘结片和Arlon公司的CuClad6700热塑性粘结片作为研究对象，开展多层微波印制板的制造工艺和多层微波印制板电子装联工艺试验，使研究结果具有一定的普遍性。

1.3 研究过程

多层微波印制板由于采用聚四氟乙烯树脂体系介质基板材料以及相应的粘结片，与普通多层印制板制造工艺相比，主要区别在于层压和孔金属化。为了重点考察多层微波印制板的层压、孔金属化及后续的装联工艺，本文采取以下研究流程：内层图形制作—层压—数控钻孔—孔金属化—外层图形制作—印制板性能测试—装联工艺试验—焊点检测。

以CLTE-XT板材制作内层图形，分别采用Taconic公司的fastRise-28热固性粘结片、Arlon公司的6700热塑性粘结片进行层压工艺试验。印制板制作完成后分别进行常态和热应力试验后的金相切片检测，以考察层压、金属化孔的完整性及其耐热应力性能。对成品多层微波印制板进行手工焊接和选择性波峰焊机焊接电装工艺试验，考察装联工艺的适用性。

2 试验结果及讨论

按照上述方法制成多层微波印制板，质量良好，符合GJB362的相关要求。以下就层压、孔金属化及装联工艺等试验结果做重点讨论。

2.1 层压试验结果

无论选用的粘结片材料是fastRise-28还是CuClad6700，层压过程工艺控制是成功实现多层微波印制板制造的基础。试验中fastRise-28及CuClad6700层压参数控制分别见图1和图2。

图1 fastRise-28层压参数控制曲线

图2 CuClad6700层压参数控制曲线

通过目视检查，压制的多层微波印制板层间结合良好，无分层、起泡、白斑等层压缺陷。fastRise-28 及CuClad6700层压后金相切片如图3和图4所示。

图3 fastRise-28层压后孔化切片图

图4 CuClad6700层压后孔化切片图

结果表明，对于fastRise-28和CuClad6700，层压后CLTE-XT层间结合均良好，树脂填充充分。用fastRise-28压制的多层微波印制板经过条件为(260±3)℃、漂锡10 s的热应力试验后金相切片见图5。

图5 fastRise-28层压热应力试验后切片图

由图5可见，经热应力试验后，层间结合依然良好，无粘接分层现象，表明该印制板可以适应后续的波峰焊、再流焊及手工焊接工艺。

用CuClad6700压制的多层微波印制板，进行烙铁焊接、解焊、再焊接热应力试验，试验条件为：烙铁头温度(270±10)℃，焊接时间(4±1)s，焊盘冷却后，用烙铁在(4±1)s内将金属丝解焊下来，焊接循环3次。热应力试验金相切片见图6。

图6 CuClad6700层压热压力试验后切片图

由图6可见，经热应力试验后，层间结合依然良好，无粘接分层现象，表明该印制板可以适应手工焊接工艺。

2.2 孔金属化试验结果

众所周知，多层微波印制板的功能实现，必须建立在高品质互连孔的基础上。多层微波印制板孔金属化的质量与数控钻孔、孔壁钻污处理、孔金属化活化等工艺密切相关[4]。数控钻孔工艺直接影响孔壁质量和孔壁钻污程度；孔壁钻污处理关系到金属化孔壁与导电图形连接的可靠性；孔金属化活化可为聚四氟乙烯树脂介质材料提供良好的表面，保障连续的孔内金属化层的获得[5]。本文根据钻孔工艺试验结果，选择钻孔质量好、孔壁钻污少的钻孔工艺参数(见表3)进行多层微波印制板的数控钻孔，并按表4、表5的参数进行孔壁钻污处理、孔金属化活化工艺试验，采用常规的孔化、电镀工艺进行多层微波印制板孔金属化处理，并对金属化孔进行金相切片检查，检查结果见图3～图6。

表3 多层微波印制板数控钻孔参数

表4 孔壁凹蚀处理工艺参数

表5 PTFE材料表面等离子处理工艺参数

由图3～图6可见，PTFE多层微波印制板孔金属化质量良好，金属镀层与导电图形连接可靠，孔壁均匀，无镀层孔洞等缺陷；热应力试验后未出现镀层分离、孔壁开裂等缺陷，表明所采取的孔金属化相关工艺措施切实、有效。

2.3 装联工艺问题

鉴于多层微波印制板的结构特点，成品板的厚度较大，孔径尺寸差异较大，加之表面电路及内层电路设计的特殊性，给后续装联带来了一些问题。另外与普通多层印制板相比，多层微波印制板不仅采用热固性粘结片材料，有时还采用热塑性粘结片，这也使装联工艺的选择受到限制。如装联工艺选择不当，不仅影响装联的质量，而且在装联操作过程中易造成多层微波印制板分层、起泡等缺陷，影响多层微波印制板的可靠性。因此分别采用手工烙铁焊、选择性波峰焊对多层微波印制板进行了通孔插装工艺试验，装联工艺结果表明，在多层微波印制电路装联工艺设计时必须考虑以下问题：

1)焊接方式的选择必须考虑多层微波印制板所用的粘结片的特性。对热固性粘结片制作的多层微波印制电路，可采用与FR-4多层印制板相同的焊接方式，如波峰焊、再流焊、手工烙铁焊等；对热塑性粘结片制作的多层微波印制电路，选择焊接方式时应避免多层微波印制板的整体温度超过粘结片的熔化温度，以免造成印制板分层、起泡等缺陷。装联实践表明，对热塑性粘结片制作的多层微波印制电路，手工烙铁焊接是一种比较安全可靠的焊接方式。

2)焊接工艺参数的选择必须考虑多层微波印制板的结构特征。由于微波性能的特殊要求，多层微波印制板的介质层一般比数字电路印制板的介质层厚，成品板的厚度较大，往往达到几个mm，因此印制板热容量较大。同时，因高厚径比的孔金属化难度大，成品板的插装孔孔径尺寸差异较大。所以必须选择合理的焊接工艺参数、采用流动性好的焊料，才能保证厚板孔径里获得充分的焊锡填充。本文装焊中采用PbSn共晶焊料、印制板预热、适当提高焊接温度等工艺措施，获得了满意的通孔焊接质量。对热固性粘结片制作的多层微波印制板，结合微波多层板预热，采用定制型选择性波峰焊机焊接，可获得满意的通孔焊接质量。环境考核试验表明，焊点的环境适应性能满足高可靠电子产品要求。

3 结束语

本次研究采用了热固性和热塑性树脂粘结片，获得了一次层压成形的陶瓷粉填充聚四氟乙烯多层微波印制板制造工艺的突破。结果表明，只要在层压、孔金属化相关工艺方面采取特殊措施，其他工序采用常规多层印制板工艺，完全可以制作出合格的多层微波印制板；但必须根据多层微波印制板所采用的粘结片类型选择装联工艺方法，才能保证通孔插装的焊接质量。

多层微波印制板的结构类型较多，有些往往有预埋孔、盲孔，甚至埋置无源器件，需要多次压制成形；有些采用其他热固性介质材料。因此，这类多层微波印制板的制作工艺还有待进一步的研究。

[1] 朱建军. 国外高频印制板基材发展情况[J]. 电子机械工程, 1995(5): 60-63.

[2] 李海. 微波射频用印制板的选材[J]. 印制电路信息, 2004(10): 17-19.

[3] 陈旭, 方芳. 陶瓷粉填充聚四氟乙烯复合介质板介质损耗控制研究[J]. 电子机械工程, 2009, 25(6): 28-30, 61.

[4] 杨维生. 多层印制板金属化孔镀层缺陷成因分析及相应对策[J]. 电子机械工程, 2000(2): 53-58.

[5] 陈旭. 等离子体处理技术在微波印制板生产中的应用研究[J]. 电子机械工程, 2003, 19(6): 31-33.

崔 洁(1962-)，女，工程师，主要从事电子装联工艺研发与设计。

杨维生(1961-)男，高级工程师，主要从事PCB制造工艺研发与设计。

Study on Manufacturing and Assembly Technologies of Multilayer Microwave Printed Circuit Board

CUI Jie，YANG Wei-sheng

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Using CLTE-XT microwave substrate, fastRise-28 and CuClad6700 bonding sheets. Key techniques in multilayer microwave printed circuit board (PCB) manufacturing such as multilayer press, CNC drilling, drilling sewage processing of hole wall, hole metallization activation are mainly studied. The manufacturing of ceramic powder filled PTFE dielectric multilayer microwave PCB is realized. The technology of successive assembly of the multilayer microwave PCB is also investigated. According to the results of this study, by choosing proper bonding sheet material, the multilayer manufacturing of the PTFE resin system substrate can be achieved.

microwave; multilayer printed circuit board; assembly technology

2014-04-01

TN405

A

1008-5300(2014)04-0054-04