低剖面漸變槽線天線單元印制板制造工藝

王　偉，周峻松，楊金卓，奚　洋

(南京電子技術(shù)研究所，　江蘇 南京 210039)

引　言

近年來，由于多功能雷達(dá)、電子戰(zhàn)和通訊系統(tǒng)的迅速發(fā)展，寬帶相控陣天線技術(shù)已經(jīng)受到國內(nèi)外雷達(dá)與天線設(shè)計、電子對抗等行業(yè)專家的廣泛關(guān)注[1]。漸變槽線天線( Tapered Slotline Antenna，TSA)因具備增益高、超寬帶、輻射波束對稱等特點以及具有印刷天線的剖面低、重量輕等優(yōu)點，較多地應(yīng)用在寬帶相控陣天線系統(tǒng)中[2]。某基于微波多層印制板的新型單極化漸變槽線陣列天線，具有寬帶寬角掃描駐波性能優(yōu)異、剖面低等優(yōu)點。該微波多層印制板天線選用的低介電常數(shù)的微波介質(zhì)覆銅板基材(Copper-Clad Laminate，CCL)具有Z向熱膨脹系數(shù)高的特性，而基材熱膨脹系數(shù)與金屬化孔之間的匹配一直是印制板制造行業(yè)面臨的技術(shù)難題，同時臺階結(jié)構(gòu)設(shè)計給層壓工藝提出了更高的要求。本文旨在研究微波多層印制板基材匹配技術(shù)和層壓技術(shù)，以實現(xiàn)高質(zhì)量的微波多層印制板制備，同時通過金屬化孔加固技術(shù)顯著提高了金屬化孔的可靠性，并將無損檢測技術(shù)應(yīng)用于層壓質(zhì)量的檢測，為此類印制板制造的工程化提供了更為簡便的實現(xiàn)途徑。

1　天線單元印制板設(shè)計

該漸變槽線天線單元印制板為八層板，外層為對稱金屬槽線，中間層為輸入帶狀線。介質(zhì)基片選用介電常數(shù)ε為 2.2、單層厚度為1.016 mm的Diclad880B材料，粘結(jié)片選用較低流動度的熱固性粘結(jié)片fastRiseTM27，長度大于600 mm，1～8層均包含數(shù)量眾多的金屬化通孔。

同時為了實現(xiàn)相應(yīng)的功能，采用了多階臺階結(jié)構(gòu)設(shè)計，包含整條的輸入帶狀線部位臺階以及多個焊接部位臺階。上述特征均給印制板的制造提出了更高的要求和挑戰(zhàn)，具體包括：

1)層壓參數(shù)應(yīng)與基板材料和粘結(jié)片匹配，層壓后應(yīng)具有較高的可靠性；

2)層壓工藝應(yīng)適應(yīng)多階臺階加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)[3]，滿足層壓質(zhì)量；

3)應(yīng)采取措施避免臺階結(jié)構(gòu)處的溢膠現(xiàn)象；

4)鍍覆孔應(yīng)具有完整性和良好的可靠性。

2　天線單元印制板制造相關(guān)問題探討

該天線單元印制板采用了多種先進(jìn)PCB制造工藝技術(shù)，包括微波多層印制板基材匹配技術(shù)、多階臺階結(jié)構(gòu)層壓技術(shù)、電鍍通孔(Plating Through Hole, PTH)加固技術(shù)、無損檢測技術(shù)等。

2.1　微波多層印制板基材匹配技術(shù)

ROGERS公司的Diclad 880B基板是一類玻璃纖維編織增強(qiáng)的PTFE復(fù)合材料，與具有相似介電常數(shù)的非玻璃纖維編織增強(qiáng)PTFE相比，它具有更好的尺寸穩(wěn)定性。同時，PTFE涂敷玻璃纖維布的一致性使其介電常數(shù)一致性比非玻璃纖維編織增強(qiáng)PTFE基板更佳[4]。

TACONIC公司的fastRiseTM27粘結(jié)片，是專門用于高速數(shù)字信號傳輸和毫米波射頻多層印制板制造的材料，能夠滿足低介電損耗的帶狀線結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。同時，該粘結(jié)片材料為熱固性材料，滿足多次層壓要求。另外，該粘結(jié)片填充了一定量的陶瓷粉，提高了制品的尺寸穩(wěn)定性。

為了提高上述2種材料組合的層壓質(zhì)量，使其相互適配，在層壓工藝上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。層壓參數(shù)[5]如下：

1)真空層壓；

2)升溫速率為1.5～5.5 ℃/min，保溫溫度為215.5 ℃，樹脂流動窗口控制為80 ℃～150 ℃；

3)初始壓力為0.5 MPa，15 min后施加全壓2.4 MPa；

4)保溫保壓時間為60 min；

5)保壓降溫，降溫速率低于3 ℃/min。

考慮到PTFE的粘彈性，Diclad880B介質(zhì)基板在快速的溫度變化速率下會產(chǎn)生較大形變，從而引起不同層間應(yīng)力聚集，采取了較低的升溫和降溫速率(1.5～3 ℃/min)。具體層壓溫度、壓力以及時間關(guān)系如圖1所示。層壓后按照IPC-TM-650進(jìn)行顯微剖切和熱應(yīng)力測試，結(jié)果均符合要求。

圖1　層壓工藝參數(shù)圖

2.2　多階臺階結(jié)構(gòu)層壓技術(shù)

從結(jié)構(gòu)設(shè)計看，該天線單元印制板疊層設(shè)計采用非鏡面對稱形式，存在多階臺階。在層壓過程中需要重點考慮減少由于結(jié)構(gòu)不對稱造成的應(yīng)力聚集，同時要采取有效的阻膠手段對臺階部位進(jìn)行處理，避免粘結(jié)片膠流動過多造成后道工序加工困難或?qū)娱g缺膠，甚至報廢。

2.2.1殘余應(yīng)力的消除

多層板殘余應(yīng)力又稱熱壓史，從理論上來說，它產(chǎn)生的原因主要有：1)固化反應(yīng)產(chǎn)生的收縮應(yīng)力；2)層壓過程中低分子化合物如溶劑、水和液體低分子化合物滯留層壓板內(nèi)產(chǎn)生的拉應(yīng)力；3)由PTFE基板材料的樹脂體系、玻纖布、銅箔等主要成分熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致的應(yīng)力；4)由非鏡面對稱結(jié)構(gòu)造成的應(yīng)力[6]。

本文所述天線單元印制板的典型結(jié)構(gòu)特征就是具有非鏡面對稱結(jié)構(gòu)，如圖2所示，除采取常規(guī)工藝措施改善前3種因素帶來的應(yīng)力外，還要重點考慮由非對稱結(jié)構(gòu)帶來的應(yīng)力，因此采取增加硅橡膠板敷形材料對壓力進(jìn)行均衡。長期對印制板層壓后脹縮尺寸數(shù)據(jù)進(jìn)行的統(tǒng)計表明，采用硅橡膠敷形材料可以較好地控制層間脹縮一致性。

圖2　層壓疊層關(guān)系圖

2.2.2臺階結(jié)構(gòu)層壓阻膠技術(shù)

臺階結(jié)構(gòu)層壓需要在凹陷部位填充等高的墊片，其目的在于均衡層壓壓力和阻止粘結(jié)片膠量流失及污染板面。目前常用的阻膠材料有硅橡膠和PTFE。硅橡膠彈性大，在高溫下有一定的膨脹效應(yīng)，阻膠效果好，但其尺寸精度不易保證，膨脹過多易影響層壓質(zhì)量；PTFE加工精度可控，去除方便，可反復(fù)使用，阻膠效果較好。

純PTFE板因無增強(qiáng)材料支撐，其線膨脹系數(shù)高于基板材料。同時，為了保證占位區(qū)域邊緣粘結(jié)片的樹脂流動及揮發(fā)組分溢出，需要對阻膠區(qū)域的尺寸和阻膠材料的尺寸進(jìn)行匹配性設(shè)計，對PTFE阻膠材料的厚度、均勻性及尺寸精度進(jìn)行嚴(yán)格控制。經(jīng)工藝攻關(guān)和長期生產(chǎn)跟蹤，發(fā)現(xiàn)PTFE占位材料在產(chǎn)品中的阻膠效果良好。具體層壓疊板結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3　天線單元微波多層板PTH加固技術(shù)

天線單元微波多層板是PTFE基微波多層板，其孔金屬化應(yīng)采取與之相對應(yīng)的等離子活化處理和干法凹蝕工藝，具體方法這里不予詳述。因該微波介質(zhì)基材的Z向熱膨脹系數(shù)較大，當(dāng)溫度從室溫25 ℃升至215 ℃的焊接溫度時，若多層板的厚度為2.5 mm，則金屬化孔在Z方向?qū)⒈焕L76 μm，如果銅層的延展性太小，則孔壁的銅層有可能被拉斷[7]。為了提高金屬化孔的可靠性，該天線單元采用了塞孔技術(shù)，如圖3所示。

圖3　PTH加固示意圖

近年來，樹脂塞孔工藝在PCB行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，通過對塞孔樹脂和印制板結(jié)構(gòu)特性的充分匹配，可以取得良好的金屬化孔質(zhì)量[8]，還可有效改善金屬化孔的耐溫度沖擊能力。該天線單元采用導(dǎo)電銀漿塞孔措施后，孔壁耐熱沖擊能力得到了進(jìn)一步提升，如圖4所示。

2.4　無損檢測技術(shù)

天線單元的制造工藝復(fù)雜，特殊過程多，生產(chǎn)周期長且制造成本高，無損檢測技術(shù)的引入對產(chǎn)品的質(zhì)量管控、成本控制起到了積極的作用。該天線單元生產(chǎn)中采用的無損檢測技術(shù)包含X-RAY檢測及超聲波檢測。其中，超聲波檢測主要應(yīng)用于多層板的結(jié)構(gòu)完整性、層壓質(zhì)量、多余物等缺陷的檢測。圖5為用超聲波檢測出的有缺陷的產(chǎn)品。

圖4　塞孔產(chǎn)品溫沖后孔壁金相照片

圖5　超聲波檢測出有缺陷的產(chǎn)品

3　結(jié)束語

多項微波多層印制板制造技術(shù)的應(yīng)用解決了低剖面漸變槽線天線單元印制板的制造難題，使得該類天線的工程化具備良好的技術(shù)基礎(chǔ)，確保其能夠在武器裝備中可靠應(yīng)用，發(fā)揮其重要功能。同時，隨著雷達(dá)產(chǎn)品集成度需求的進(jìn)一步提高，微系統(tǒng)技術(shù)、微波電路互聯(lián)與制造的新工藝、新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)和發(fā)展，勢必對微波印制板制造技術(shù)提出更高的要求和更大的挑戰(zhàn)，也將促進(jìn)微波多層印制板制造技術(shù)的快速進(jìn)步和發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]梁志偉, 夏琛海, 牛寶君. 低剖面漸變槽線天線單元設(shè)計[J]. 微波學(xué)報, 2012, 28(3): 12-16.

[2]SHEN W, ZHANG W X. Pattern synthesis of non-symmetric tapered slotline antenna[J]. Electronics Letters, 2006, 42(8): 443-444.

[3]高燕. 印制板的防振[J]. 八一科技, 2007(2): 36-38.

[4]楊維生. 高頻印制線路材料之性能/應(yīng)用和制造指南(八)[J]. 印制電路資訊, 2006(2): 65-71.

[5]楊維生. 雷達(dá)用多層微波綜合背板制造工藝研究[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 2011, 33(10): 77-80.

[6]袁歡歡, 蘇藩春. 層壓板熱壓釋放殘余應(yīng)力對多層印制板品質(zhì)的改善[J]. 印制電路信息, 2009(2): 46-51.

[7]胡文成, 楊傳仁, 龍繼東, 等. 微波多層板基材的性能要求[J]. 材料導(dǎo)報, 2004,18(12): 19-21.

[8]尋瑞平, 張華勇, 敖四超, 等. 高頻高速高多層印制板制作技術(shù)研究[J]. 印制電路信息, 2017, 25(1): 52-59.