高频印制板对关键材料及工艺技术的要求

宁敏洁 何 骁 周 波 周 亮

（工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610）

1 背景

5G（第五代移动通信技术）的到来对于印制电路板（PCB）制造业来讲亦是一场划时代的革新。5G的频率，既包括6 GHz以下（Sub-6G）的低频频率，也包含6 GHz以上的毫米波频段。毫米波本身的传播距离相对于低频段会显著降低，基站数量需要大幅增加才能实现大规模的覆盖，这为PCB行业带来巨大的市场机遇。目前行业预测5G基站数量将会达到4G时代的2倍，用于5G基站天线的高频印制板的用量将是4G的数倍。5G通信系统各硬件模块可能用到的PCB产品及特性见表1，可以看出，通信用PCB将朝大尺寸、高密度、高频高速低损耗、高低频混压、刚挠结合等方向发展[1][2][3]。其中，高频微波板承载的工作频率相比之前四代通信技术显著提升，对所用到的材料和工艺技术将提出全新的挑战，本文针对高频PCB用铜箔、基板材料、玻纤等主要材料，以及图形精度控制、高频板材平面电阻制作技术、密集孔成孔技术、孔金属化前处理技术、背钻技术、混压技术、等关键工艺技术方面的新要求进行介绍。

2 高频印制板关键材料

2.1 铜箔

铜箔所形成的导体是用来传输信号的，随着信号频率的增大，高频信号在传输线的铜箔表面产生的“趋肤效应”越来越显著，如表2所示，当信号为10G时，其信号在导线表面的传输厚度为0.66 μm左右，也就是说信号传输仅在粗糙度的厚度范围内进行，那么必然产生严重的信号“驻波”和“反射”等，使信号造成损失，甚至形成严重或完全失真。铜箔表面越粗糙，信号损耗随之增大，因此，高频PCB对于铜箔的应用会更趋向于表面低粗糙度的超低轮廓电解铜箔。

表1 通信设备与印制板技术

表2 各工作频率下信号传输的趋肤深度

2.2 基板材料

根据基板材料构成分类，高频PCB基板材料类型基本可分为树脂体系（PTFE树脂、PPO树脂、LCP树脂、聚酰亚胺树脂及其他耐高温热塑性树脂）、玻璃纤维增强型体系和陶瓷粉填充体系。目前应用较多的高频基板材料主要为PTFE热塑性树脂系列、陶瓷粉填充PTFE树脂体系和陶瓷粉填充热固性树脂系列。常见的高频基板材料类型及介电性能如表3所示[1]。PTFE树脂系列在国内外的军事、航空、航天等领域，已有十多年的实际应用经验，在民用通讯领域，随着毫米波频谱资源的逐步开放，预计需求将会越来越大。

高频基板材料需要更低的介电损耗和介电常数，厚度选择上也趋于更薄，一般介质层厚度应小于等于信号传输波长的1/8，例如以1 GHz频率的信号（其波长为300 mm）来计算，介质层的厚度应≤37.5 mm；对于Sub-6 GHz材料介电常数Dk在3～3.7，介质损耗Df＜0.004；而毫米波频段的电子产品对材料介质损耗更为敏感，要求Df＜0.002，厚度要小于254 μm，如表4所示[4]。

表3 部分高频基板材料类型及介电性能

表4 高频材料不同频段电性能对比表

近期研究热点还包括LCP（液晶高分子聚合物）类材料，LCP分子链刚性高，不需填充玻纤，在高频段的介电损耗小，各向异性使其具有高强度、高模量、突出的耐热性能、优异的耐冷热交变性能，在电子产品中FPCB应用中有着很强的优势[5][6]。日本松下公司RF705系列LCP基板产品性能见表5。

2.3 玻璃纤维布

玻璃纤维布作为PCB在X-Y方向上的机械增强材料，填充在树脂内部，添加后能增加板材结构强度，有利于提高板材的机械稳定性。但是玻纤的存在会导致材料不同位置出现不同的介电常数（Dk）。这种Dk的变化是由玻璃布特有的物理交织结构造成的，发生在很小的区域且以周期性的方式呈现，一般，玻璃布或玻璃纤维的Dk约为6，而开口空隙区域的Dk由材料树脂体系的Dk值决定；两束玻纤相互交叠时，此时的Dk值最大；开口空隙区域没有玻纤的存在，此时的Dk值最小；单束玻纤存在时，Dk值居中。

当含有此类玻璃布的材料仅应用于低频时，由于信号波长较长，几乎对电路性能不会造成影响，但当材料应用于高频毫米波频率时，电路的性能就会受到一定影响。如Dk为3.0、厚度为0.127 mm（5 mil）的电路材料，当此材料应用于77 GHz毫米波电路时，所设计的50Ω微带线的宽度就是0.305 mm（12 mil），而与玻璃布的交叠与空隙开口非常接近，当微带线分别处于玻纤束或空隙上方时，Dk的不同会引起一个电路与另一个电路之间的阻抗存在差异，从而影响信号的一致性。在选用玻纤布时应考虑玻纤布的编织数量、类型、是否为低损耗玻纤布。根据玻纤布的规格，一般选取编织较密集结构来降低玻纤效应带来的影响。玻纤布编织间隙较大的结构，板材厂商会对玻纤进行扁平化处理，即将玻纤压缩展开来减小两玻纤束之间的间隙。常规E型玻纤布介电常数偏高，限制了其在高频高速领域的应用，选取低介电常数的玻纤布也是降低板材介电常数的有效途径[7]。

3 高频印制板关键工艺技术

高频PCB制程中关键工艺技术有图形精度控制、平面电阻制作、密集孔成孔技术、孔金属化前处理、背钻、高频高速混压和板材涨缩控制等。高频PCB其加工难度会更大，这给制程能力带来更大的挑战，下面就高频PCB关键工艺技术进行介绍。

3.1 图形精度控制

高频PCB线路传输的是高速电脉冲信号，导线上划伤、缺口、针孔、凹坑等缺陷都不允许，特别是线路越来越精细化的方向发展，其精度控制要求也越来越严格。高频PCB的线路精度要求是±0.02 mm以及±0.015 mm时，通过对图形制作过程中的贴膜参数、曝光能量及定位方式等参数控制可以实现，但当线路精度要求提高到±10 μm甚至±1 μm时管控难度将显著增加，不仅关系到生产来料、设备能力及环境要求等因素，还需进行产前的研发及鉴定，来保证产品质量。

表5 LCP射频基板材料性能比较

线路精度上道工序关键影响因素是镀铜的均匀性，一般面铜厚度极差控制在8 μm以内，优者可控制到5 μm以内，水平电镀线铜厚可控制在3 μm以内，铜厚极差越小对图形精度的控制越有利。传统的曝光设备对位精度为±25 μm，层间对位精度大于50 μm，LDI（激光直接成像）设备对位精度提升至10 μm以内，层间对位精度小于20 μm。

3.2 平面电阻制作

电阻类高频板材目前应用的为ROGERS公司产品将Ohmega公司提供的Ohmega-Ply膜电阻（Ni/P合金膜）层压到其高频覆铜板基材内，即平面电阻位于PCB介质层和铜箔之间，厚度根据方阻不同有0.1 μm（50Ω）、0.05 μm（100Ω）等。PCB中平面电阻通过图形转移的方式制作，其图形精度直接影响电阻值的精度，一般精度可控制到±10%以内。依据膜电阻成型原理，阻值越大，电阻图形宽度越小，线路精度也越难以控制。印制板生产过程中平面电阻的工艺流程如下：

下料→贴膜→曝光→显影→检验→蚀刻铜层→蚀刻电阻层→褪膜→清洗→贴膜→曝光、显影→检验→酸洗→蚀刻铜层→清洗检验→退膜→清洗→检验

电阻图形的制作经过多道工序，各个工序生产过程中的蚀刻液参数、图形制作精度、周转过程中板面弯折等都会造成阻值精度不良。在生产前就要进行提前干预管控，如CAM设计时对线路进行合理补偿、设备辊轮压力调至标准范围值、周转过程借助工装等，严格控制每个环节来确保阻值精度。

对于埋置平面薄膜电阻的多层PCB，层压过程也会对平面电阻阻值产生较大影响。在生产过程中需要设计电阻附联图形，层压完成后对附联图形进行电阻阻值测试。如设计要求电阻误差范围为±5%，层压后测试电阻值数据显示阻值降低了约10%左右，对应管控措施是在电阻图形INCAM补偿时，将原来要求阻值提高10%左右，能有效控制电阻值精度，合格率可达90%以上。

3.3 密集孔成孔技术

对于高密度、小间距的密集孔，如孔径为0.50 mm或以下、孔数超过1000个，孔间距为1.2 mm或更小，按照常规方法钻孔时钻屑不易排出，产生的热量不能及时散去也会导致钻屑发生融化、粘附在孔壁，难以保证品质，冷却后便形成大量胶渣，当粘附的钻屑量较大时便会出现堵孔，后续很难用高压水冲洗去除，对印制电路板的可靠性带来风险。应对措施是及时更换钻头钻孔，避免钻刀磨损、排屑不良等导致孔壁粗糙、热量集中等问题；根据板材类型适当升高钻机吸尘吸压，增大钻孔排屑量；钻孔盖板采用涂覆树脂板代替常规铝盖板，利用涂覆盖板表现树脂吸热熔融特性，及时吸收钻孔过程中的热量，促进钻污排出；钻孔方式采用跳钻工艺，避开常规顺序钻孔，将跳钻距离根据实际密集孔设计适当增加，每隔2～3个孔进行跳钻，避免临近孔连续受到钻头高速切屑、摩擦、拉扯，出现热应力集中、钻屑堵孔等问题[9]。

3.4 孔金属化前处理

高频基材中的增强型聚四氟乙烯和填充陶瓷聚四氟乙烯不易润湿，孔金属化前需去除钻污、咬蚀基材表面。传统FR-4板材普遍采用的高锰酸钾化学除胶法在处理高频基材时咬蚀效率较低，钻污不能完全去除，因此，一般采用等离子机去除高频PCB孔壁钻污，其原理是首先用氮气等离子体对数钻孔壁进行清洁并预热印制板；然后用氧气和四氟化碳的混合气体等离子体与树脂化合物、玻纤布反应达到咬蚀的目的；最后用氧气等离子体除去孔壁灰尘[8]。等离子去钻污后再对孔壁进行金属化处理，孔壁质量明显提升。表6为一种PTFE材料进行等离子循环处理的参数条件，此方法处理的PTFE材料应在12 h内进入下一道工序，若超出此时间需重新进行等离子处理。

3.5 背钻

当电路信号的频率增加到一定程度后，印制板中的导通孔PTH中无用的孔铜部分将成为信号完整的障碍，对信号传输产生伤害，在传输线中犹如一条多余的“尾巴”（Stub），引起信号失真[9]。解决此类问题的常规方法是使用背钻技术，即通过二次钻孔的方式，利用一个直径大于孔径的钻头将不需要的金属化孔壁钻除，背钻后残留的Stub长度越短，对信号传输的完整性越有利。

背钻工艺过程中，易出现堵孔、孔内披锋、孔内有铜丝、断钻等缺陷。改善措施是选取合适角度背钻头、设置匹配参数，背钻完后再进行外层蚀刻，利用蚀刻药水去除孔内铜丝及披锋，后续高压水洗冲洗孔内钻污。

3.6 混压

多层高频PCB设计，基于成本节约、提高弯曲强度、实现射频信号、电源信号及波控信号的集成以及电磁干扰控制等因素，常以混压板形式出现。如高速层L1-L12层为高Tg环氧板材，高频信号层L13～L16层为高频板材，此类高速高频PCB结构设计不对称易造成板面翘曲（平整度精度为±0.05 mm）、层间重合精度超标、混压交界面凹陷等问题。解决措施有：（1）对叠板方式进行优化，例如将L5-L6层拆分成L5-D6、D7-L8层，中心位置板厚对称方式层压有利于应力释放，避免板面翘曲，如图1所示；层压时采取提前预压、适当延长冷压时间，降低层压后出板温度；（2）对于高多层PCB的层间重合度控制，要保证单片图形的精度（如采用高精度LDI成像技术）；采取多种定位方式相结合等确保定位精度要求；在印制电路板整张坯料中，中部区域的平整度较边缘要好，在拼版设计方面单件尽量居中；层压过程根据混压板材特性选取合适升温程序，避免升温速率过快或过慢引起板材出现较大涨缩；（3）半固化片选取低流动度含胶量适中的材料，改善混压时内层半固化片溢胶填充质量。

图1 叠板优化示例图

3.7 涨缩控制

高频聚四氟乙烯热塑性树脂体系特性，决定了其二维尺寸稳定性不能满足较高位置精度的加工要求，对于高频板材的涨缩控制可采取的方式主要有四槽定位、铆钉定位及后定位方式。各个定位方式如图2所示，采用较多的定位方式是四槽定位，易于操作，但是对PCB尺寸有局限性，较大尺寸的多层板由于超出了四槽定位模具系统能力范围，便选用铆钉定位方式，此定位方式在层压结束后，再进行X-Ray钻靶机测涨缩值，根据涨缩数据利用INCAM软件补偿涨缩值后再进行数钻加工；当板材涨缩变形较大时可考虑采用后定位方式，即在数钻完成后再进行涨缩测量，根据图形制作前的涨缩值进行图形定位孔的程序调整并数钻加工出后定位孔，基于后定位孔位置再进行图形的制作，如高频任意层互联PCB图形制作可采用此方式。对于复杂高多层PCB亦采用多种定位方式混合并结合阻胶占位的方式，确保PCB的对位精度及压合受力的均匀性。多层PCB在单片孔化、层压后均需设置几组测试孔，后期通过三坐标测试系统对变形量进行测量，收集数据，计算出同类单片普遍的变形量。在进行制板等工序加工时，针对涨缩，假定单片变形量一致，并在设计容忍公差范围内，可根据变形数据经验值调整模版，使焊盘与实测孔位重合，再套用四槽定位系统绘制模版后制作图形。在层压后制作外层图形时，需二次测量涨缩值，调整参数进行外层图形制作，如图3所示。

表6 某PTFE材料表面等离子处理参数条件

图2 高频多层板定位方式列表

图3 孔化塞孔后涨缩测试孔示意图

表7 线路涨缩数据收集

如表7所示为涨缩数据，根据层压涨缩数据显示，X方向涨缩在±0.2 mm以内，Y方向涨缩在±0.1 mm以内，根据此涨缩数据，CAM进行外层模版涨缩调整，调整后的模版数据再进行绘制，最大限度管控多层PCB的重合精度。

4 小结

综上所述，5G时代，随着高频印制板的需求与日俱增，PCB在材料及工艺技术方面面临的挑战也会更大，基板材料、铜箔及玻纤的选择朝着高频、低损耗方面不断发展，关键工艺过程的控制需要更加精细和严格，同时也要在不断实践过程中逐渐积累工程经验，沉淀关键参数，才能为生产出高质量高频PCB奠定基础。