plasma在高頻微波印制板中的運用，首先我們來了解高頻微波印制板相關(guān)知識：

定義

● 什么叫高頻？

通常短波頻率≥300MHz，即波長≤1米的范圍，稱作高頻。

● 什么叫微波？

通常頻率≥1GHz（100MHz），波長≤300mm的電磁波，稱作微波。

● 高頻微波印制板

在高頻微波基材覆銅板上，加工制造成的印制板叫高頻微波印制板。

類型：單、雙、多層，剛性。

高頻基材+普通FR4基材，制成的是混合型多層板。

高頻基材+金屬基，混合壓成的基材制成的印制板叫高頻金屬基印制板。

2.2 快速發(fā)展原因

● 通信業(yè)的快速進步，原有的民用通信頻段擁擠，高頻通信部分頻段（軍用）逐漸讓給 民用。民用高頻通信獲得超常規(guī)速度發(fā)展。

衛(wèi)星接收，基站，導航，醫(yī)療，運輸?shù)雀鱾€領(lǐng)域大顯身手。

● 高保密性，高傳送質(zhì)量，要求移動電話，汽車電站，無線通信向高頻化發(fā)展。

高畫面質(zhì)量，要求廣播電視傳輸用甚高頻播放節(jié)目。

高信息量傳送信息，要求衛(wèi)星通信，微波通信，光纖通信必須高頻化。

● 計算機技術(shù)處理能力增加，信息存儲容量增大，迫切要求信息傳送高速化。

因此，電子信息產(chǎn)品高頻化，高速化對PCB提出了高頻特性的要求。

高頻微波PCB成為電子信息高新科技產(chǎn)業(yè)必不可少的配套產(chǎn)品。

2.3 對基材的要求

● 印制板的整體特性，加工性能，長期可靠性，在很大程度上取決于基板材料。

● 為達到高頻高速傳送信號，要求基材必須考慮：

（1）Dk（εr），dielectric constant，或 relative permittivity，介電常數(shù)。

（2）Df（tanδ），loss tangent，或 Dissipation Factor，介質(zhì)損耗因素（介質(zhì)損耗角  正切）。

● 基材結(jié)構(gòu)：玻纖，樹脂，填料。

● CTE（熱膨脹系數(shù)）。

● 其它—剝離強度，絕緣電阻，Tg，阻燃，吸水性……

2.4 介電常數(shù)Dk

（1）定義：某電介質(zhì)電容器的電容與同樣構(gòu)造的電容器在真空狀態(tài)下電容之比。

（2）覆銅板的介電常數(shù)

● 覆銅板基板由樹脂，增強材料（布、纖維、紙），填充劑組成，構(gòu)成電的絕緣體，稱為電介質(zhì)?；膶嶋H上就是整塊印制板中的一個電容器。

● Dk大，表示存儲電能大，電路中信號傳播速度就會變低。

● Dk小，電信號傳播速度就快。

● 通常，印制板上的電流信號的電流方向，是正電、負電相互交替變化的，這樣頻率化的交換，相當于 “充電—放電—充電” 的過程。在互換中，只要有少量電容存留，就會影響傳輸速度。

● 在高頻線路中，信號傳播速度公式：

V—信號傳播速度

K—常數(shù)

C—光速，3×108m/s

Dk—基板介電常數(shù)

● 降低Dk，有利于提高信號的傳播速度。Dk越大，傳輸速度就會越低。Dk越小，傳輸速度越快。

● 因此，利用PCB的低介電常數(shù)，來達到信號傳播的高速度。

這就是為什么高頻微波印制板要求低介電常數(shù)的原因。

（3）低Dk基材

● PTFE（聚四氟乙烯），俗稱Teflon。

分子結(jié)構(gòu)：             。分子結(jié)構(gòu)是對稱的，因而具有優(yōu)良的物理、化學、電氣性能。相對密度2.14~2.20。熔點327℃，吸水性（24小時）＜0.01%。

● “塑料王”：耐許多強腐蝕性物質(zhì)，至今尚無一種能在300 ℃ 以下溶解它的溶劑。

● PTFE，Dk=2.1，很低。

聚四氟乙烯玻纖布覆銅板，在12GHz下，Dk=2.60；在1MHz下，Dk=2.62。而FR4的Dk=4.9。

因此，PTFE的Dk比FR4低47%，PTFE印制板的信號傳播速度快40%以上。

● PTFE缺點

剛性差，銑外形毛刺多，PTH困難，成本高，加工困難。

● 除FTFE外，其它Dk低的基材

基材的Dk低，需選用低Dk樹脂，玻纖，填料。

聚丙醚Dk2.5，氰酸酯2.9，聚丁二烯3.0，環(huán)氧樹脂3.9，電子級玻纖Dk6.6，新型NE玻纖布4.4。

低Dk樹脂+低玻纖布組合加工而成的低Dk覆銅板有以下幾類：

PI—聚酰亞胺環(huán)纖布覆銅板，Dk3.8；PPO—聚苯醚玻纖布覆銅板，Dk3.5；

CE—氰酸酯玻纖布覆銅板，Dk4.0；BT—雙馬來酰亞胺改性三嗪Dk4.1~4.3。

● 最低Dk的基材

Dk=1.15~1.35（不含PTFE）

介質(zhì)損耗Df=0.002-0.005，比重0.35g/cc，吸水率＜0.5%。

峰房式結(jié)構(gòu)。輕型，不耐熱。作高頻微波金屬天線（美國Arlon公司產(chǎn)品）。

2.5 介質(zhì)損耗因素（Df）

（1）定義：

● 電介質(zhì)材料在交變電場作用下，由于發(fā)熱而消耗的能量稱為介質(zhì)損耗。

通常以Df或tanδ表示。也稱介質(zhì)損耗角正切。

（2）Dk和Df成正比例。

● Dk小，Df也小，即能量損耗也小。

● PTFE的Df=0.002，比FR4的Df=0.02低了10倍。

PTFE基材的Dk，Df都小，且穩(wěn)定，幾乎沒有變化。

PTFE具有優(yōu)秀的耐潮濕性，吸水率非常小。

PTFE絕緣性能很高，1014~1015歐姆。

（3）其它高頻微波板材Df

● PI（聚胺亞胺）0.008；

● PPO（聚苯醚，PPE）0.003；

● CE（氰酸酯）0.006~0.008；

● BT（雙馬來酰亞胺改性三嗪）0.004~0.008。

2.6 其它性能

● 基材結(jié)構(gòu)—玻纖，纖維；樹脂—環(huán)氧，PI，PPO；填料—陶瓷，云母……。（對加工工藝有影響）

● CTE（熱膨脹系數(shù)）

Dk 2.1~2.7，X-Y方向的CTE是小的，一般9-35；Z軸方向大，150-300PPm/℃（CTE對印制板可靠性有影響）。

● 其它—剝離強度，絕緣電阻，吸水性，阻燃性，Tg，耐熱性（對加工過程，產(chǎn)品使用有影響）。

例：Rogers R04003，玻纖+陶瓷，Tg280℃，Dk3.38，Df0.0022,加工性能同F(xiàn)R4相似，不阻燃，371 ℃（700℉）著火。

Rogers R04350，性能同R04003， Dk3.48，Df0.0040，阻燃94V~0。

● 基材銅厚，板厚。

銅箔—常用0.25，0.5，1.0，2.0，OZ（盎司）

板厚—0.1，0.2，0.5，直至2.4mm都存在。

通常，考慮價格性能比，用簿板，≤0.8，0.5，0.3mm常用（高頻微波基材比FR4貴幾倍，十幾倍）。

板厚通常不含銅厚。

2.7 Dk=1.15~10.2的各種板材

● 供應(yīng)商：美國

Rogers，Arlon，Taconic，Metclad，GIL，Polyfon，IsoLa。

● Dk1.15~10.5，全球有100~200個品種。（見另外的附表）

● 日本：三菱瓦斯，松下，住友，日立化成，Chukok等。

● 國產(chǎn)：泰州高頻覆銅箔板材廠，西安704所等。

● 影響高頻微波板關(guān)鍵性性參數(shù)是Dk和Df，通常Dk最低值2.17，Df0.001。

● Dk低的板材，通常是PTFE+玻纖。

● Dk3.2-3.8，不含PTFE，其結(jié)構(gòu)是聚酯，聚酰亞胺，聚丙醚，玻纖，陶瓷。加工性能類似于FR4。

● 高頻微波多層板，應(yīng)選擇相匹配的半固化片（PP）。Dk2.3~3.5常用。

● Dk在不同頻率下測試會有些變化，但變化量不大。

例如：頻率從500MHz變化到10GHz，PTFE的Dk變化為0.5%，而FR4變化為7%。

2.8 高頻微波印制板基本要求：

（1）Dk，介質(zhì)層厚度，銅厚符合圖紙要求。

（2）線寬/間距公差要求嚴格。

● IPC-6018，±10%。

● 實際上，很多客戶要求， ±0.02mm， ±0.015mm。

特性阻抗公式：

Dk—介電常數(shù)，H—介質(zhì)厚度（不含銅厚）

W—線寬，T—導線厚。

上述4個因素，影響最大的是H（介質(zhì)厚度），其次是Dk，W，最小的是T。選定基材后，Dk，H變化小，T（導線厚）較易控制，W（線寬）控制成為工程設(shè)計定型后生產(chǎn)PCB的難點之一。

線寬控制±0.02mm是關(guān)鍵。

（3）導線劃傷，凹坑，缺口，針孔，不允許。

阻焊厚度會影響高頻信號傳輸。

孔內(nèi)銅厚也會對信號傳輸有影響。

（4）對PTFE，熱沖擊228℃，10秒，1-3次，PTH孔不發(fā)生孔壁分離。

2.9 PTFE印制板生產(chǎn)工藝技術(shù)

2.9.1 PTFE印制板加工難點

（1）鉆孔

● 基材柔軟，疊板數(shù)不能多。

● 轉(zhuǎn)速要慢些。

● 基材磨損鉆頭利害。

● 鉆頭頂角、螺紋角有其特殊要求。

（2）印阻焊

● 絲印前不能用刷輥磨板（氟樹脂的影響，附差力）。

（鈍化，水洗，吹干；化學法處理）

（3）HAL（熱風整平）

● 預熱

● 無鉛HAL，錫缸溫度265℃（避免板材急速加熱，影響到導線，焊盤脫落或翹起）。

（4）銑外形

選合適的銑刀和參數(shù)（否則，毛刺多）。

（5）工序轉(zhuǎn)運

防劃傷、針孔、壓痕、缺口。

特制裝載轉(zhuǎn)序工具。

（6）蝕刻

嚴格控制線寬。百倍鏡檢查。

（工程設(shè)計，蝕刻參數(shù)，管理……）

（7）PTH—難點之一，關(guān)鍵步驟之一。

● 傳統(tǒng)的PTH工藝行不通。PTFE基材孔內(nèi)不潤濕。

● 方法一：金屬鈉，萘，四氫呋喃液—化學法。

形成萘鈉絡(luò)合物，浸蝕孔內(nèi)PTFE表層分子，達到潤濕孔的目的。

優(yōu)點：效果良好，質(zhì)量穩(wěn)定，適宜量產(chǎn)。一次性投入成本不高。

缺點：毒性大，鈉易燃，危險。需強烈抽風，專門房間，專人管理。

● 方法二：等離子體法（Plasma）。

在二個高壓電極之間注入CF4，氬氣，氮氣，氧氣。PCB放在二個電極之間，腔體內(nèi)形成等離子體狀態(tài)，從而把孔內(nèi)鉆污、臟物除掉。

優(yōu)點：效果佳，質(zhì)穩(wěn)定，適宜批量生產(chǎn)，工藝簡單，易控制，毒性小，干凈。

缺點：設(shè)備價貴。

2.9.2 雙面PTFE印制板的制造

（1）工藝流程

工程設(shè)計→下料→鉆孔→孔處理→PTH →全板鍍→光成象→QC→圖形鍍→蝕刻→防氧化處理→QC→阻焊/字符→HAL（或沉Ni/An，Ag，Osp）→外形加工→FQA→包裝出貨。

（2）控制要點—化學沉銅前

● 板材存放平放：下料時，不必烘板。

● 鉆孔：參數(shù)同F(xiàn)R4不一樣，用新鉆頭。2拼板/疊（0.8~1.6mm板厚）。

鉆頭形狀：頂角120℃，螺紋角27 ℃。

● 鉆孔后，輕度刷板，高壓水洗。磨痕寬度8-10微米。

● 孔處理：

A、化學法：

● 萘納處理槽→溶劑處理槽→熱水洗（2次） →烘干→PTH。

● 萘鈉槽：不銹鋼槽，蓋密封，充氮氣（使空氣與藥液表面形成界面，隔絕水 份，空氣進入）

● 槽架：不銹鋼。

● 鈉金屬：盛裝于煤油中，切成小塊投入槽中溶解，不銹鋼棒攪拌。嚴禁水帶入（否則會燃燒爆炸）。室溫下，浸泡幾分鐘。

● 房間：強抽風，地板干燥，不存放酸、堿或無關(guān)物品，外人不許進入，板子處理后吹干。操作人員經(jīng)特殊培訓。

● 溶劑處理槽：無色透明溶劑，低沸點，易燃。室溫下浸泡幾分鐘。塑料槽。目的是去除殘余的萘鈉溶液。

●熱水洗：55℃，浸泡2-3分鐘，轉(zhuǎn)入自來水洗。

● 板子要吹干。

● 板子經(jīng)處理后進入PTH生產(chǎn)線，不必進入除鉆污槽，從降油槽開始，正常的PTH工藝。

B、Plasma法：

● 等離子體是物質(zhì)存在的另外一種表現(xiàn)形式，是物質(zhì)存在的第4種形態(tài)（固、液、氣三態(tài)）。

● 等離子體在許多方面類似氣體，但在某些方面卻存在重要區(qū)別。

● 等離子體由帶正電荷、負電荷離子以及游離基團和紫外線輻射粒子所組成，就是說，等離子體是離子化的氣體，是一種能量提升狀態(tài)的氣體。

● 等離子體的活性很強，正是利用這個特性，驅(qū)使它和環(huán)氧或聚四氟乙烯鉆污起化學反應(yīng)而消除之。在PCB生產(chǎn)工藝中，去鉆污使用高錳酸鉀法，濃硫酸法等，這些方面對FR4基材的多層板有效，但對PTFE基材不起作用。

等離子體對PTFE基材鉆污可以起到化學反應(yīng)。

● 很顯然，等離子體及其活性是極不穩(wěn)定的，需要高頻電磁場能量。當某種條件中止或消失時，等離子體組成中的各種粒子會瞬間互相選擇地結(jié)合起來，等離子體退化為原始的氣體態(tài)，活性消失，等離子體也就不再存在。

● 等離子體的生成條件。

1）一個容器腔體形成真空狀態(tài)。

2）以高頻發(fā)生器向腔體內(nèi)的正負電極施加高頻電磁場。

3）在腔體內(nèi)，注入所需的氣體。氣體在正、負電極間被電離，形成等離   子體。

4）當不存在抽真實狀態(tài)，高頻電磁場消失，等離子體即成為原始氣體狀態(tài)。

● 等離子體去除鉆污

在抽真空的腔體內(nèi)（抽真空幾十至100m Torr [托] ）

在二個正負電極中加高頻電磁場，注入氣體（CF4，N2，Oz，Hz），從而形成等離子體。

放在二塊電極之間的印制板孔內(nèi)表面上的PTFE鉆污、臟物等固體與等離子體接觸起化學反應(yīng)，生成新的氣體化合物被真空泵帶走，從而使PTFE印制

板孔內(nèi)的氟樹脂由非極性變成極性。

● 清洗孔的二個步驟：

第一步：除毛刺。氣體CF4（25%），N2（25%），O2（50%），75℃，

15分鐘。

第二步：除孔內(nèi)鉆污。氣體：N2（80%）H2（20%），75 ℃， 20分鐘。

一步法：混合氣體O2/CF4/N2（80/10/10），30分鐘，效果不錯。有人用二種混合氣體H2/N2（70%/30%）作處理R03000板材（Dk=3.0）。

使用不同氣體和比例會獲得不同效果。對不同高頻微波板材，處理用的氣體及參數(shù)也有所不同，要通過實踐摸索本企業(yè)的使用氣體和相關(guān)參數(shù)。

● 等離子體系統(tǒng)（設(shè)備）組成：

五個部分：腔體（方形、園形），真空泵，高頻發(fā)生器，控制器，混合氣體源。（設(shè)備系統(tǒng)包含不同的技術(shù)專利）。

● 板子經(jīng)Plasma處理后應(yīng)馬上進行化學沉銅，不應(yīng)停留超過24小時。

C、孔的前處理的其它方法：

除了萘鈉化學法，Plasma法作孔的前處理外，還有其它的方法：（文獻收集）

1）復合型PTFE板，浸泡新型玻璃蝕刻液。

● 成份：氟化氫銨20%，硫酸10%，30-40℃，1-1.5分鐘。

● 過程：板子除油，清洗，微蝕，清洗，浸泡本溶液，清洗，板子進入預浸、            活化、還原、PTH、清洗、板面鍍銅、轉(zhuǎn)入光成象。

2）二步法：

第一步：氟化氫銨（10-20%），10%硫酸混合液，40℃，2分鐘。

第二步：氫氧化鈉（5~10%），硫酸亞錫（20%）混合液處理。1分鐘，   水洗，然后PTH。

3）在制板，浸泡四氫呋喃（100%）液，3-5分鐘，水洗，酸洗，化學沉銅，極面電鍍，光成象。

4）在制板，在沉銅缸前的各處理槽連續(xù)走二次（包括活化槽），再作沉銅。

● 以上幾種處理方法，來自文獻報道，僅供參考。

經(jīng)典方法是鈉萘化法，Plasma法。

● 考核PTFE成品板方法：

熱風整平（250-265℃），3秒/次，3次；熱沖擊（288℃，10秒）。

作微切片，觀察金屬化孔：孔壁無剝離，鍍層和拐角無裂紋，無空洞，焊盤不起翹，孔內(nèi)銅厚≥20微米。

（3）控制要點——沉銅、光成象、圖鍍、蝕刻、阻焊、外形加工。

● 背光檢測，全板鍍銅后。

● 全板鍍，圖形鍍銅，低電流密度，長周期參數(shù)生產(chǎn)。控制孔內(nèi)銅和表面銅厚均勻性。（線路銅厚不均勻，影響蝕刻，影響線寬公差±0.02mm控制）。

● 蝕刻后必查線寬/間距。（注意底片線寬工藝補償值——經(jīng)驗數(shù)據(jù)總結(jié)）。

● 蝕刻后防氧化處理，苯駢三氮唑液，使銅表面形成一層無色保護膜。

● 阻焊：不許機械磨板，否則會破壞PTFE基材，影響阻焊與基材間附差差力。只能化學清洗。

有的PTFE板，阻焊劑僅印在線路上，覆蓋線邊緣0.25mm，基材上不讓印阻 焊。否則影響信號傳輸。

PTFE板軟，烘板要作特殊插架，防板翹曲，防沾污板面。