低剖面渐变槽线天线单元印制板制造工艺

王　伟，周峻松，杨金卓，奚　洋

(南京电子技术研究所，　江苏 南京 210039)

引　言

近年来，由于多功能雷达、电子战和通讯系统的迅速发展，宽带相控阵天线技术已经受到国内外雷达与天线设计、电子对抗等行业专家的广泛关注[1]。渐变槽线天线( Tapered Slotline Antenna，TSA)因具备增益高、超宽带、辐射波束对称等特点以及具有印刷天线的剖面低、重量轻等优点，较多地应用在宽带相控阵天线系统中[2]。某基于微波多层印制板的新型单极化渐变槽线阵列天线，具有宽带宽角扫描驻波性能优异、剖面低等优点。该微波多层印制板天线选用的低介电常数的微波介质覆铜板基材(Copper-Clad Laminate，CCL)具有Z向热膨胀系数高的特性，而基材热膨胀系数与金属化孔之间的匹配一直是印制板制造行业面临的技术难题，同时台阶结构设计给层压工艺提出了更高的要求。本文旨在研究微波多层印制板基材匹配技术和层压技术，以实现高质量的微波多层印制板制备，同时通过金属化孔加固技术显著提高了金属化孔的可靠性，并将无损检测技术应用于层压质量的检测，为此类印制板制造的工程化提供了更为简便的实现途径。

1　天线单元印制板设计

该渐变槽线天线单元印制板为八层板，外层为对称金属槽线，中间层为输入带状线。介质基片选用介电常数ε为 2.2、单层厚度为1.016 mm的Diclad880B材料，粘结片选用较低流动度的热固性粘结片fastRiseTM27，长度大于600 mm，1～8层均包含数量众多的金属化通孔。

同时为了实现相应的功能，采用了多阶台阶结构设计，包含整条的输入带状线部位台阶以及多个焊接部位台阶。上述特征均给印制板的制造提出了更高的要求和挑战，具体包括：

1)层压参数应与基板材料和粘结片匹配，层压后应具有较高的可靠性；

2)层压工艺应适应多阶台阶加强筋结构[3]，满足层压质量；

3)应采取措施避免台阶结构处的溢胶现象；

4)镀覆孔应具有完整性和良好的可靠性。

2　天线单元印制板制造相关问题探讨

该天线单元印制板采用了多种先进PCB制造工艺技术，包括微波多层印制板基材匹配技术、多阶台阶结构层压技术、电镀通孔(Plating Through Hole, PTH)加固技术、无损检测技术等。

2.1　微波多层印制板基材匹配技术

ROGERS公司的Diclad 880B基板是一类玻璃纤维编织增强的PTFE复合材料，与具有相似介电常数的非玻璃纤维编织增强PTFE相比，它具有更好的尺寸稳定性。同时，PTFE涂敷玻璃纤维布的一致性使其介电常数一致性比非玻璃纤维编织增强PTFE基板更佳[4]。

TACONIC公司的fastRiseTM27粘结片，是专门用于高速数字信号传输和毫米波射频多层印制板制造的材料，能够满足低介电损耗的带状线结构设计要求。同时，该粘结片材料为热固性材料，满足多次层压要求。另外，该粘结片填充了一定量的陶瓷粉，提高了制品的尺寸稳定性。

为了提高上述2种材料组合的层压质量，使其相互适配，在层压工艺上进行了优化设计。层压参数[5]如下：

1)真空层压；

2)升温速率为1.5～5.5 ℃/min，保温温度为215.5 ℃，树脂流动窗口控制为80 ℃～150 ℃；

3)初始压力为0.5 MPa，15 min后施加全压2.4 MPa；

4)保温保压时间为60 min；

5)保压降温，降温速率低于3 ℃/min。

考虑到PTFE的粘弹性，Diclad880B介质基板在快速的温度变化速率下会产生较大形变，从而引起不同层间应力聚集，采取了较低的升温和降温速率(1.5～3 ℃/min)。具体层压温度、压力以及时间关系如图1所示。层压后按照IPC-TM-650进行显微剖切和热应力测试，结果均符合要求。

图1　层压工艺参数图

2.2　多阶台阶结构层压技术

从结构设计看，该天线单元印制板叠层设计采用非镜面对称形式，存在多阶台阶。在层压过程中需要重点考虑减少由于结构不对称造成的应力聚集，同时要采取有效的阻胶手段对台阶部位进行处理，避免粘结片胶流动过多造成后道工序加工困难或层间缺胶，甚至报废。

2.2.1残余应力的消除

多层板残余应力又称热压史，从理论上来说，它产生的原因主要有：1)固化反应产生的收缩应力；2)层压过程中低分子化合物如溶剂、水和液体低分子化合物滞留层压板内产生的拉应力；3)由PTFE基板材料的树脂体系、玻纤布、铜箔等主要成分热膨胀系数差异导致的应力；4)由非镜面对称结构造成的应力[6]。

本文所述天线单元印制板的典型结构特征就是具有非镜面对称结构，如图2所示，除采取常规工艺措施改善前3种因素带来的应力外，还要重点考虑由非对称结构带来的应力，因此采取增加硅橡胶板敷形材料对压力进行均衡。长期对印制板层压后胀缩尺寸数据进行的统计表明，采用硅橡胶敷形材料可以较好地控制层间胀缩一致性。

图2　层压叠层关系图

2.2.2台阶结构层压阻胶技术

台阶结构层压需要在凹陷部位填充等高的垫片，其目的在于均衡层压压力和阻止粘结片胶量流失及污染板面。目前常用的阻胶材料有硅橡胶和PTFE。硅橡胶弹性大，在高温下有一定的膨胀效应，阻胶效果好，但其尺寸精度不易保证，膨胀过多易影响层压质量；PTFE加工精度可控，去除方便，可反复使用，阻胶效果较好。

纯PTFE板因无增强材料支撑，其线膨胀系数高于基板材料。同时，为了保证占位区域边缘粘结片的树脂流动及挥发组分溢出，需要对阻胶区域的尺寸和阻胶材料的尺寸进行匹配性设计，对PTFE阻胶材料的厚度、均匀性及尺寸精度进行严格控制。经工艺攻关和长期生产跟踪，发现PTFE占位材料在产品中的阻胶效果良好。具体层压叠板结构如图2所示。

2.3　天线单元微波多层板PTH加固技术

天线单元微波多层板是PTFE基微波多层板，其孔金属化应采取与之相对应的等离子活化处理和干法凹蚀工艺，具体方法这里不予详述。因该微波介质基材的Z向热膨胀系数较大，当温度从室温25 ℃升至215 ℃的焊接温度时，若多层板的厚度为2.5 mm，则金属化孔在Z方向将被拉长76 μm，如果铜层的延展性太小，则孔壁的铜层有可能被拉断[7]。为了提高金属化孔的可靠性，该天线单元采用了塞孔技术，如图3所示。

图3　PTH加固示意图

近年来，树脂塞孔工艺在PCB行业的应用越来越广泛，通过对塞孔树脂和印制板结构特性的充分匹配，可以取得良好的金属化孔质量[8]，还可有效改善金属化孔的耐温度冲击能力。该天线单元采用导电银浆塞孔措施后，孔壁耐热冲击能力得到了进一步提升，如图4所示。

2.4　无损检测技术

天线单元的制造工艺复杂，特殊过程多，生产周期长且制造成本高，无损检测技术的引入对产品的质量管控、成本控制起到了积极的作用。该天线单元生产中采用的无损检测技术包含X-RAY检测及超声波检测。其中，超声波检测主要应用于多层板的结构完整性、层压质量、多余物等缺陷的检测。图5为用超声波检测出的有缺陷的产品。

图4　塞孔产品温冲后孔壁金相照片

图5　超声波检测出有缺陷的产品

3　结束语

多项微波多层印制板制造技术的应用解决了低剖面渐变槽线天线单元印制板的制造难题，使得该类天线的工程化具备良好的技术基础，确保其能够在武器装备中可靠应用，发挥其重要功能。同时，随着雷达产品集成度需求的进一步提高，微系统技术、微波电路互联与制造的新工艺、新技术的不断涌现和发展，势必对微波印制板制造技术提出更高的要求和更大的挑战，也将促进微波多层印制板制造技术的快速进步和发展。

参考文献

[1]梁志伟, 夏琛海, 牛宝君. 低剖面渐变槽线天线单元设计[J]. 微波学报, 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]杨维生. 高频印制线路材料之性能/应用和制造指南(八)[J]. 印制电路资讯, 2006(2): 65-71.

[5]杨维生. 雷达用多层微波综合背板制造工艺研究[J]. 现代雷达, 2011, 33(10): 77-80.

[6]袁欢欢, 苏藩春. 层压板热压释放残余应力对多层印制板品质的改善[J]. 印制电路信息, 2009(2): 46-51.

[7]胡文成, 杨传仁, 龙继东, 等. 微波多层板基材的性能要求[J]. 材料导报, 2004,18(12): 19-21.

[8]寻瑞平, 张华勇, 敖四超, 等. 高频高速高多层印制板制作技术研究[J]. 印制电路信息, 2017, 25(1): 52-59.