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      77GHz毫米波汽車?yán)走_(dá)用印制電路板制作關(guān)鍵技術(shù)

      2021-01-09 02:50:52張軍杰李會(huì)霞殷仁友李加余
      印制電路信息 2020年12期
      關(guān)鍵詞:尖角層間雷達(dá)

      張軍杰 李會(huì)霞 殷仁友 李加余

      (勝宏科技(惠州)股份有限公司,廣東 惠州 516211)

      0 前言

      當(dāng)今世界電子體系的高頻化的發(fā)展是非??焖俚?,數(shù)十年來高頻化信號(hào)傳輸在“衛(wèi)星”、“雷達(dá)”系統(tǒng)等發(fā)展與進(jìn)步,主要應(yīng)用于國防軍事、航空航天等方面。目前,國防軍事、航空航天等方面的電子通訊產(chǎn)品大多數(shù)是在100 GHz~1000 GHz,甚至更高。近幾年來,在電子產(chǎn)品高密度化、多功能化和商業(yè)利益的驅(qū)使下,“毫米波”的高頻技術(shù)也迅速“大規(guī)?!奔尤氲缴逃?、家用、個(gè)人等領(lǐng)域,這些領(lǐng)域都在向信號(hào)高頻化和高速數(shù)字化發(fā)展。例如,廣泛應(yīng)用的無線“高清晰度多通道界面(HDMI)”和“無線個(gè)人域網(wǎng)絡(luò)WPAN”系統(tǒng)的信號(hào)傳輸頻率達(dá)到60 GHz,自動(dòng)化的“雷達(dá)”的信號(hào)傳輸頻率達(dá)到77 GHz,而“毫米波”的成像系統(tǒng)的信號(hào)傳輸頻率達(dá)到94 GHz。目前各個(gè)國家對(duì)車載毫米波雷達(dá)分配的頻段各有不同,但主要集中在24 GHz和77 GHz,少數(shù)國家(如日本)采用60 GHz頻段。由于77 GHz相對(duì)于24 GHz的諸多優(yōu)勢(shì),未來全球車載毫米波雷達(dá)的頻段會(huì)趨同于77 GHz頻段(76~81 GHz)。那么,符合車載毫米波雷達(dá)用的印制電路板(PCB)也有高性能要求,必需采用高頻高速材料。

      1 毫米波用PCB的基板材料

      1.1 基板的選擇

      高頻化信號(hào)傳輸?shù)陌l(fā)展,已經(jīng)強(qiáng)烈要求進(jìn)入以毫米波體系的微波設(shè)計(jì)的領(lǐng)域,相應(yīng)要求有更薄型、低介電常數(shù)(Dk)、低介電損耗(Df)等高性能PCB的基板材料。在高頻化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中必須細(xì)心地選擇相關(guān)材料,才能達(dá)到既有利于生產(chǎn)加工可行性與生產(chǎn)效率,又能夠達(dá)到高“性能、價(jià)格比”的產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

      高頻高速材料耐熱性好、信賴性好、加工性能好、Z軸膨脹系數(shù)小,需選用Tg值≥200 ℃的高頻高速板料及半固化片。故在選擇材料時(shí)需要綜合考慮性能,從板材Tg值(玻璃轉(zhuǎn)化溫度)、Td值(熱分解溫度)、X-Y-Z軸膨脹系數(shù)、T260-T288耐熱性、Dk值、Df值、剝離強(qiáng)度、吸水率幾個(gè)方面進(jìn)行綜合評(píng)估,最終選擇B材料進(jìn)行PCB的制作見表1。

      表1 B材料主要性能

      1.2 粘結(jié)材料的選擇

      作為層間粘結(jié)材料半固化片必須有多種類型可供選擇。采用兩種或兩種以上形成的粘結(jié)材料,由于不同的粘結(jié)材料的熔化溫度是不同的,這是對(duì)復(fù)合粘結(jié)材料結(jié)合的重大技術(shù)挑戰(zhàn)。從性能和成本上看,以毫米波頻率的芯片封裝往往要求有兩種無鹵材料結(jié)合在一起的熱固性基板材料。

      2 工程資料設(shè)計(jì)

      2.1 工藝流程設(shè)計(jì)

      工藝流程圖和層板壓合結(jié)構(gòu)見圖1、圖2所示。

      圖1 工藝流程圖

      圖2 8層板壓合結(jié)構(gòu)

      2.2 相關(guān)信息

      相關(guān)產(chǎn)品基本信息見表2、圖3。

      3 生產(chǎn)過程制作關(guān)鍵控制點(diǎn)

      3.1 內(nèi)層線路制作

      3.1.1 內(nèi)層采用分層補(bǔ)償

      該板為三種不同的材料混壓,所用樹脂體系均有差,再加上每層芯板厚度不一樣,在內(nèi)層蝕刻后壓合會(huì)導(dǎo)致層間錯(cuò)位。同每個(gè)角2組,1組不加補(bǔ)償用于鉚合后層間對(duì)準(zhǔn)度檢查,1組用于壓合后層間對(duì)準(zhǔn)度的檢查,每層一個(gè)圓環(huán),層與層之間圓環(huán)相距0.075 mm(見圖3)。

      3.1.2 內(nèi)層線路資料尖角補(bǔ)償:分內(nèi)角和外角兩種補(bǔ)償方式(見表4)

      表2 產(chǎn)品基本信息

      圖3 77 GHz毫米波汽車?yán)走_(dá)PCB

      (1)外尖角補(bǔ)償形式:以外角頂點(diǎn)為圓心,半徑R的輔助圓弧耳朵,補(bǔ)償大小定義:先根據(jù)客戶要求計(jì)算完成銅厚,依據(jù)銅厚選擇添加輔助圓弧大小。

      表3 分層補(bǔ)償系數(shù)表

      (2)內(nèi)尖角補(bǔ)償形式:以內(nèi)尖角補(bǔ)償采用30 ℃內(nèi)切角掏銅設(shè)計(jì),內(nèi)切角頂點(diǎn)選擇方法,圖形補(bǔ)償后工作稿按單邊虛擬內(nèi)縮L得到圖形交點(diǎn)(見表4)。

      3.2 壓合制作

      3.2.1 壓合輔助物料選擇及排板方法

      為改善壓合時(shí)填膠均勻及平衡板厚,壓力均勻性和輔助材料的緩沖能力很重要,排板時(shí)壓合采用熔鉚結(jié)合技術(shù)壓合,同時(shí)層間采高膨脹鋼板[(16~17)×10-6/℃與銅箔的熱膨脹系數(shù)相同)]和特殊緩沖材料(美國Pacothane公司推出的Pacopads和Pacoplus)作為緩沖層,緩沖壓力,并在鋼板層間加新牛皮紙防滑(見圖4)。

      3.2.2 壓合參數(shù)控制及程序優(yōu)化

      壓合程序需要從轉(zhuǎn)壓時(shí)間、轉(zhuǎn)高壓溫度、升溫速率等幾個(gè)方面來綜合調(diào)整,三種壓合程序通過測(cè)實(shí)際料溫而得到的參數(shù)(見表5)。

      通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,壓合參數(shù)3為最優(yōu)參數(shù),能使樹脂的粘度曲線比較平緩,溢膠量少,可以使半固化片膠有效的填充層間空隙,進(jìn)而控制板厚的均勻性。

      3.2.3 延長冷壓時(shí)間

      此料號(hào)壓合疊構(gòu)不對(duì)稱,且RO3003為PTFE材料,MT77級(jí)TU-862為FR4材料,PTFE與FR4 CTE差異較大,壓合后存在板弓曲的問題,建議延長冷壓時(shí)間30 min,以便充分釋放板材內(nèi)部應(yīng)力。

      表4 外尖角補(bǔ)償形式規(guī)則

      圖4 PCB排板示意圖

      表5 不同壓合程序各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比

      3.3 鉆孔制作

      材料為多種樹脂,填料多,板料具有硬、脆等缺點(diǎn),在加工性能上有所不同,參數(shù)控制不當(dāng)易造成斷針、孔粗、釘頭、孔粗等不良,影響孔壁質(zhì)量,鉆孔時(shí)需要采用全新鉆針、高密胺墊板、鉆孔參數(shù)適當(dāng)降慢,故鉆孔方法選用金剛石涂層的刀具,采用酚醛材料蓋板、墊板;孔限設(shè)置為100孔,以避免基體材料疲勞破壞導(dǎo)致斷刀(見表6)。

      表6 鉆孔參數(shù)表

      3.4 除膠制作

      RO3003材料為PTFE材料,該材料親水性極差,且具有化學(xué)惰性,同時(shí)由于陶瓷填料具有多孔性需控制化學(xué)處理時(shí)間,故除膠方式采用等離子除膠。使用等離子除膠不僅起到去除孔內(nèi)膠渣作用,而且起到活化材料,提高PTFE濕潤性,提升沉銅品質(zhì)的作用。采用MARCH機(jī),IT150DA-2019程式進(jìn)行除膠,除膠參數(shù)如表7。必須采用一次等離子除膠+一次化學(xué)除膠過程中(正常情況下控制除鉆污量在0.3~0.6 mg/cm2),才能保證除膠效果(見表7)。

      表7 除膠參數(shù)表

      3.5 電鍍制作

      該板具有通盲孔,電鍍采用填孔+VCP鍍銅,填孔電鍍按鍍12 μm參數(shù)生產(chǎn),VCP按鍍銅厚度15 μm參數(shù)生產(chǎn),電鍍結(jié)果切片(見表8、表9)。

      表8 通孔切片數(shù)據(jù)

      表9 背鉆盲孔切片數(shù)據(jù)

      3.6 外層線路制作

      此料號(hào)壓合疊構(gòu)不對(duì)稱,壓合后板存在板翹(弓曲)的問題,蝕刻后外層沒有銅箔拉扯,板弓曲非常嚴(yán)重,導(dǎo)致AOI沒法掃描。建議后續(xù)正反面邊框位置不蝕刻,以銅箔拉扯幾種材料CTE不一致產(chǎn)生的應(yīng)力,改善板彎翹(見圖5)。

      3.7 防焊制作

      RO3003為PTFE材料,蝕刻后會(huì)留下銅牙印子,使板面具有粗糙度,增加與油墨的結(jié)合力,但 PTFE材料具有兩個(gè)特點(diǎn):(1)不能過磨刷,磨刷破壞表面的粗糙度;(2)具有流動(dòng)性,超出時(shí)效后表面變得光滑,所以蝕刻到防焊印刷有時(shí)效要求。具體防焊參數(shù)(見表10)。

      4 結(jié)束語

      通過對(duì)77 GHz毫米波汽車?yán)走_(dá)線路板從材料選擇、工程資料設(shè)計(jì)、工藝流程優(yōu)化、生產(chǎn)中的一些關(guān)鍵工序,如內(nèi)層線路制作、壓合、鉆孔、除膠、電鍍、外層AOI、防焊等方面進(jìn)行重點(diǎn)講解,從而突破了77 GHz毫米波汽車?yán)走_(dá)線路板生產(chǎn)過程的技術(shù)難點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了順利打樣。

      圖5 PCB翹曲

      表10 防焊制作參數(shù)

      以上為我公司在77 GHz毫米波汽車?yán)走_(dá)線路板制作過程一些經(jīng)驗(yàn),希望能起到拋磚引玉的作用,給同行提供幫助。

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