天线基站中无源互调要求的移相器印制电路板制作工艺

李 旋 吴传亮 王运玖 常玉兵

（深圳市深联电路有限公司，广东 深圳 518000）

0 前言

网络正逐步向第五代移动通信技术推进（5G），5G天线基站是实现5G网络覆盖的基础，开发5G天线电路板的制作工艺将成为印制电路板（PCB）行业必不可少的发展趋势。随着信号传递的频率和速率提升，天线基站移相器板提出了一个新的技术指标-PIM。PIM，亦称“无源互调”（Passive Inter Modulation），属于一种信号失真。无源互调PIM是由天线发射系统中各种无源器件的非线性特性引起的。为保证高频高速信号在传递过程中不失真就必须要保证低互调值，目前行业内大多数企业将此PIM阀值定义为≤-160 dBc。由于5G信号传递的更高频和更高速的特性，这会将信号传递的趋肤效应进一步放大，这就延伸出了对信号传递的载体（导线）外表面粗糙度的控制。即是说，要保证低互调值就必须降低信号趋肤效应的影响，进一步而言，就是需要把信号传递的载体（导线）外表面粗糙度控制在一定的范围内。由于按传统PCB制作工艺制作的PCB板无法满足低互调要求，为此笔者介绍此类产品在生产过程中遇到的难点及解决方案。

1 产品结构与指标

以移相器为例，移相器是基站天线的最重要的组成部分之一，利用移相器调节信号的相位，可以对基站天线波束的下倾角度起到灵活调节作用，以满足覆盖不同用户区域的需求。目前绝大多数天线都是双极化天线，因此至少需要两个移相器，分别调节两个极化方向上信号的相位，并且在调节相位时，必须保证两个极化方向上相位的变化量是一致的。

移相器的线路图形如图1所示。

图1 移相器线路板图形

测试频率为700 MHz、800 MHz、850 MHz、900 MHz，需满足三阶互调PIM≤-160 dBc。

2 影响因素与关键控制点

2.1 影响因素

根据以往的经验并查阅相关资料，总结PCB设计制造过程中对天线基站有PIM要求电路板制板影响较大的因素如下。

（1）导线外表面粗糙度。基于板材供应商提供的THE电解铜箔与RTF反转铜箔的对比，优先采用RT F 反转铜箔材料，线路后切片对比，见图2所示。

图2 THE铜箔与RTF铜箔线路切片对比

RTF反转铜箔贴合面（Ra＜0.7 μm，Rz＜3.5 μm），光面（Ra：1～2 μm，Rz＜5 μm），与THE电解铜箔相比，RTF反转铜箔贴合面的粗糙度更优。在制程中可对RTF反转铜箔的光面适当处理以保证较优的粗糙度。

（2）电流密度的影响。PIM值受电流密度的影响与设计的电路有关，电流密度越小，其PIM性能越好。

（3）板材杂质的影响。PCB不可含有Fe、Co、Ni等磁性元素。

（4）材料结构的影响。尽量避免出现阻抗不连续性，尽可能保持一致的阻抗特性，选用低PIM的材料（如PTFE或PI材料）。

（5）表面处理的影响。由于化学沉锡表面处理优异的平整度和传输信号衰减小的特点，在通讯板的表面处理上得到了广泛的应用，特别是PTFE天线材料的化学沉锡。表面处理采用沉锡是最优选择。沉锡鼠咬越小，PIM性能越好。表面油墨厚度越厚，PIM性能越好。

（6）信号线的影响。信号线越长，互调值越差。互调值与温度呈反比，线宽缩小导致温度升高，从而导致互调变差。因此，此类天线板设计的线宽较大，铜厚也较厚。

（7）孔粗的影响。孔粗越小，PIM性能表现越好。

2.2 关键控制点

经多次试验验证，结合PIM控制的原理，从PIM测试的结果反推各制程的关键控制点，得出天线基站有PIM要求电路板制板的关键控制点，如表1所示。

表1 天线基站有PIM要求电路板制板的关键控制点

3 工艺难点与解决方案

3.1 电路制作难点与解决方案

3.1.1 工艺难点

（1）为避免信号的趋肤效应影响，通常需要把线路的毛边控制在极小的范围内，这就要求铜厚不能太高。

（2）为避免驻波和温升对PIM的影响，此类移相器产品天线板的线宽设计较宽，铜厚设计较厚。就以铜厚而言，通常需要将铜厚控制在55～80 μm的范围内。

（3）行业内大多数蚀刻线的蚀刻因子通常不会超过3.5，若是将铜厚控制在55～80 μm的范围内，线路的毛边会达到20 μm以上，如图3所示。

图3 常规工艺制作线路

按常规工艺方法制作，线路毛边超过20 μm，客户端PIM调试不合格。所以，5G天线基站PCB的线路制作最关键的一点就是要在铜厚较厚的前提下同时控制线路毛边在极小的范围内。

3.1.2 解决方案

经多次试验验证，在线宽常规补偿的基础上整体再加大补偿12.5 μm，同时分两次蚀刻制作。第一次蚀刻按铜厚对应的常规蚀刻速度，第二次蚀刻将蚀刻机调到最大蚀刻速度7 m/min，可将线路毛边控制极小的范围内。如图4所示。

图4 改进工艺制作线路

按改进工艺方法制作，线路毛边不超过15 μm，保证了线宽在合格范围内，客户端PIM调试合格。

3.2 铜面粗糙度控制与解决方案

3.2.1 工艺难点

（1）为避免信号的趋肤效应的影响，必须把铜面粗糙度控制在一定的范围内；

（2）如何控制铜面粗糙度，行业内无可参考的工艺方法。

3.2.2 解决方案

经多次试验验证，成功开发出了一套最优化的铜面粗糙度控制方法。方案具体如下：

（1）从选材方面考虑，RTF铜箔PTFE板材是最优选择。

（2）制作线路前采用高目数（1200目及以上）磨刷机械磨板，控制磨板电流参数在2.2～2.5 A范围内，横竖各磨一次，保证横竖磨板时压力一致，可在保证板材性能不受影响的前提下，同时有效地降低铜面粗糙度。

（3）线路和阻焊前处理采用表2最优组合方式制作，对比不同前处理对铜面的处理效果以及对铜面粗糙度的影响。

表2 不同工艺方法对比

对比上表试验方案和对应结果，有如下分析和结论。

（1）对比粗糙度和PIM测试结果，工艺方法1是最优方案，但工艺方法1沉锡后局部出现掉油品质异常，其原因是线路和阻焊均采用化学前处理无法处理干净板面，会有水印和污渍残留，导致阻焊与铜面结合力不够。

（2）工艺方法1沉锡后掉油，品质良率较低，工艺方法三PIM测试不合格。综合考虑，工艺方法2为最优方案。

综上所述，最优化铜面粗糙度控制方法为：开料（采用RTF铜箔PTFE板材）——磨板（控制磨板电流参数）——线路（前处理采用喷砂+化学前处理）——阻焊（前处理采用超粗化）。

3.3 焊接调试难点与解决方案

3.3.1 工艺难点

焊接是影响PIM性能表现一个极为重要的影响因素，焊接方式、顺序、焊接锡厚、应力残留等都会对PIM性能表现产生很大的影响。

3.3.2 解决方案

经多次试验验证，最优化的焊接调试焊接顺序如下。参考移相器组装测试示意图，如图5所示）（1）先固定端子（焊SS面）；（2）使用纽扣固定滑片；（3）滑片卡住PCB；（4）焊接铆钉帽，需将CS/SS两面进行焊接；（5）装上治具穿入电缆；（6）先焊外导体，再焊内导体。

图5 移相器组装测试图

4 总结

从天线基站系统中PIM产生的原理出发，总结了PCB制程中影响PIM较大的因素，阐明了导线外表面粗糙度、电流密度、板材杂质、材料、表面处理、信号线和孔粗对PIM的影响。

并以此为基础，以测试的结果反推出PCB各制程的关键控制点及控制要求，详述了PCB中线路、孔粗、表面处理、材料和表面粗糙度的关键控制点及控制要求，并针对PCB制程工艺和焊接调试的难点给出了相应的解决方案。