微波用复合聚四氟乙烯多层印制板制造技术
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微波用複合聚四氟乙烯多層印製板製造技術一前言隨著資訊網路技術的迅猛發展，超高速、超高頻微波技術被廣泛應用，特別是美國、日本等發達國家，已將高頻微波技術廣泛應用於軍事領域，如制導、無線電通訊、巡航導彈等。
用於高頻微波方面的印製板也向高密度、多層數方面發展。
高頻微波用多層板要求比普通多層板更低的介質損耗。
通常採用聚四氟乙烯（PTEE）或聚苯醚/環氧材料。
常見的高頻微波用多層板共分為兩類：第一類是採用低介電常數聚四氟乙烯層壓板和粘結片的全聚四氟乙烯多層板；第二類是複合的聚四氟乙烯多層板，即採用低介電常數聚四氟乙烯層壓板和其他類型粘結材料如玻璃布增強的環氧樹脂（FR-4）半固化片或聚酰亞胺的半固化片、或其他熱塑性材料壓制而成，其中最常用的是玻璃布增強的環氧樹脂（FR-4）半固化片。
第一類由於成本極高只應用於高頻要求的軍事設備，而第二類則廣泛應用于商業的微波電路中。
環氧半固化片複合的聚四氟乙烯多層板不僅成本低，可以採用常規多層板的製造設備和工藝。
在電路設計方面，它最大的優點是能將數位電路和射頻電路（RF）合為一體，從而不僅減小了整個印製板的尺寸和組裝的體積，而且增加了聚四氟乙烯印製板的硬度。
國外已廣泛應用于功率放大器、微波的發射接收、無線電通訊如無繩電話等。
採用環氧半固化片的複合聚四氟乙烯多層板的工藝流程見圖1，本文將著重討論這種複合聚四氟乙烯多層板的製造技術。
內層成像→層壓→鑽孔→孔化→外層成像→外形加工→阻焊及熱風整平→濕法加工圖1複合聚四氟乙烯多層板的工藝流程2.1 複合聚四氟乙烯板的多層壓制技術複合聚四氟乙烯多層板採用的粘結材料主要分為兩大類：熱塑性和熱固性。
當應用的頻率較高（高於1GHz)時，應採用與聚四氟乙烯電性能接近的熱塑性材料。
熱塑性材料沒有玻璃化溫度（Tg)，當工作溫度較高時，就會隨濕度的升高而變軟，當溫度超過了熔點時，熱塑性材料就會再次熔化甚至導致分層。
因此使用這種材料時，一定要注意控制工作溫度在額定範圍內。
聚四氟乙烯本身雖然屬於熱塑性材料，但具有非常穩定的化學性和高頻高溫下優異的電氣性能，優於常用的熱固性材料，當應用的頻率不高（低於1GHz)時，可以使用熱固性材料如環氧、聚酰亞胺等半固化片，雖然半固化片在溫度高時也會變軟，但即使是當溫度接近玻璃化溫度時，也不會分層。
熱固性材料雖然具有良好的結合力，但卻犧牲了多層板的電性能。
低介電常數的熱塑材料和環氧半固化片特別適用於高速數位電路的應用、微波的發射和接受系統等。
這不但保證了印製板特殊的電性能要求，而且還可以採用環氧多層板相同的壓制工藝。
複合聚四氟乙烯多層板的壓制工藝因使用的材料不同而不同，環氧半固化片複合的聚四氟乙烯多層板層壓的工藝參數與常規多層板一樣，典型值為：溫度1730C，壓力20-30Kg/cm2,時間90min,1500C下後固化4小時。
2.2 機加工2.2.1 鑽孔通常機械加工參數的確定取決於以下因素：材料的類型（編織的、不編織的或陶瓷填充的等），板厚孔徑比、基材的含膠量、鑽頭的幾何參數等。
玻璃布增強的聚四氟乙烯基材是眾多聚四氟乙烯板材中最常用的一種，同時也是機加工最麻煩的材料。
FR-4板材本身的硬度對玻璃纖維束起到了支撐的作用，能防止纖維束被鑽頭推入基材中。
而聚四氟乙烯樹脂比較柔軟，當鑽頭不夠鋒利或切削速度不當時，不但會產生鑽汙、毛刺及造成纏刀，而且玻璃纖維束還可能嵌入基材中或造成纖維的撕裂，導致金屬化孔內的空洞。
通常FR-4印製板使用的頂角為1300C的硬質合金鑽頭，完全適用於聚四氟乙烯覆銅板或複合聚四氟乙烯多層板，鑽孔應使用新的鑽頭，一般不應使用翻磨過的鑽頭，每1，000-2，000孔換鑽頭。
鑽φ1.0mm 孔的進給和轉速的典型值分別為：41mm/sec和37，000RPM，退鑽速度為750in/min.按照經驗，採用較低的進給和轉速能得到較好的鑽孔質量，但還應綜合考慮孔徑大小、基材的含膠量以及是否纏刀等。
上墊板可採用0.3-0.5mm厚的酚醛紙板，下墊板可採用2.3-3.2mm厚的酚醛纖維板。
聚四氟乙烯覆銅板鑽孔時常常發生纏刀的情況，應注意觀察每種孔徑的纏刀情況，適當調整吸塵水平和退鑽速度。
高質量的鑽孔應沒有鑽汙，並且板子兩面的毛刺都非常小。
總之在優化了鑽孔的進給、轉速、退鑽速度、壓腳的壓力、吸塵水平以及適當的上下墊板後，完全可以取消去毛刺工序。
2.2.2 外形銑複合聚四氟乙烯多層板外形銑的典型工藝參數為：進給為60mm/sec,轉速為20，000RPM，上墊板為0.3-0.5mm厚的酚醛紙板，下墊極為2.3-3.2mm厚的酚醛纖維板，反時針方向銑，根據印製板的厚度選擇1-4塊的疊層。
聚四氟乙烯板材的外形銑經常產生毛邊，要避免毛邊除調整工藝參數外，正確的疊板方法也很重要（見圖2）。
外形銑後的印製板應表面清潔、邊緣無明顯的熔化毛邊，否則應用鋒利的刀子刮去，注意不要削掉基材和邊緣的銅箔，微波電路對導線和外形的精度要求十分嚴格。
圖2 複合聚四氟乙烯印製板外形銑疊層示意圖2.3 去鑽汙、凹蝕及孔化聚四氟乙烯屬於非極性分子，並且具有特殊的憎水性，憎水性造成材料本身不易潤濕，這就給去鑽汙及凹蝕孔化帶來相當大的難度。
處理方法通常有兩種，第一種採用等離子體處理，第二種採用化學溶液處理。
前者需要專用設備，後者比較容易，成本低，但效果稍差。
我們對這兩種方法都進行了研究。
2.3.1 等離子體處理採用專用的等離子體設備處理，具體工藝參數如表1所示。
表 1 複合聚四氟乙烯板等離子體處理的典型參數通過等離子體處理之後，既可以清除孔壁鑽汙及凹蝕，同時還可以達到改善聚四氟乙烯表面的電性和分子改性的目的，從而使聚四氟乙烯多層板的孔壁能較好的被後續孔化溶液所潤濕，從而達到最佳的孔化效果。
2.3.2 化學溶液處理首先需要採用普通剛性多層板洗孔，用鹼性高錳酸鉀系列溶液清洗鑽汙，然後採用我中心研製的專用敏化和粗化溶液處理。
未經處理的聚四氟乙烯基材按常規的孔金屬化工藝孔化後，通過檢孔鏡我們會發現：不但純聚四氟乙烯基材上無法沉銅，暴露在孔壁的玻璃纖維頭和玻璃纖維束上也無法沉積上化學鍍銅層。
通過多次返工偶爾沉上銅也出現銅層剝落的現象，結合力不強。
為了玻璃纖維表面粗化提高其表面潤濕性，我們開發了一種新型的粗化處理溶液。
為了驗證粗化效果，我們進行了一組對比試驗。
（表2）表 2 粗化處理對孔金屬化的影響通過新型粗化溶液處理後，效果十分明顯。
不僅消除了玻璃纖維上的沉銅空洞，而且增加了化學鍍銅層與孔壁的結合力，未發現化學鍍層剝落的現象。
這是由於粗化能使玻璃纖維表面產生微觀粗化，有利於化學鍍前處理溶液的潤濕，有利於吸附活化劑，從而有利於化學鍍銅。
新型的粗化處理溶液的組成及工藝條件如下：NH4HF10-20g/lH2SO4(98%)100ml/L350C-400C1-1.5min粗化採用H2SO4，避免使用HC1，這是由於隨著處理溶液中銅濃度的增加，銅離子和C1-建立起CuCl2蝕刻體系，隨Cu離子濃度的增加對Cu的腐蝕速度呈現加快的趨勢。
如圖3所示。
圖3HC1和H2SO4體系中銅離子濃度對銅腐蝕速率的影響曲線採用H2SO4體系減少了Cu的積累，從而延長了粗化液的壽命，並可防止聚四氟乙烯多層板產生負凹蝕和粉紅圈。
粗化不能太長，否則易引起玻璃纖維頭產生芯吸現象，很容易在孔化時殘存溶液，使金屬化孔的可靠性下降。
但粗化時間也不能太短，否則不能起到粗化的效果。
粗化處理基本上解決了孔壁暴露的玻璃纖維部分的粗化和潤濕問題，而對純聚四氟乙烯部分效果不明顯。
還需要對這部分採取特殊的潤濕處理。
根據多年積累的生產經驗和大量試驗工作，我們採用新型潤濕處理溶液，該溶液不含任何表面活性劑，是一種無機鹽的酸性溶液。
通過其潤濕處理後，聚四氟乙烯表面的親水性明顯好轉，極易清洗，不會在孔壁產生任何影響鍍層結合力的殘餘物。
就潤濕處理效果我們進行了對比試驗，試驗結果見表3.表3潤濕處理對聚四氟乙烯基材孔金屬化的影響從表3可以看出該潤濕處理能明顯改善孔金屬化效果，提高孔化的一次合格率。
為了比較化學溶液處理工藝、等離子體處理以及常規化學鍍銅前處理工藝對聚四氟乙烯基材孔金屬化的效果，我們進行一組對比試驗，結果如下表4.通過表4可以發現採用這種新型的前處理工藝完全可以達到或接近等離子體處理的效果。
表4不同處理方法聚四氟乙烯基材孔金屬化的效果2.4 熱應力試驗由於聚四氟乙烯基材的熱膨脹係數隨介電常數的減小而增大（見表5），某X和Y方向的膨脹因受到玻璃布的控制和環氧基材相近，但是Z方向的熱膨脹卻遠大於環氧多層板。
製造高頻微波用聚四氟乙烯多層板一般使用ε＞2.75的聚四氟乙烯基材，Z方向的熱膨脹較大，需要嚴格控制鍍銅工藝，確保電鍍銅的高延展性和抗拉強度。
為了試驗複合聚四氟乙烯多層印製板金屬化孔的可靠性，我們按印製板測試方法國標GB/T****（等效IEC326-2）的9.2.6節的要求進行熱應力試驗。
試驗後未發現基材分層起泡等現象，作顯微剖切未發現金屬化孔分離或斷裂。
如圖4所示。
圖4FR-4的複合聚四氟乙烯六層板熱衝擊後孔內的情況表5聚四氟乙烯覆銅板的熱膨脹係數及應用範圍三結論環氧複合多層板與普通環氧玻璃布多層板相比，能提高信號的傳輸速度，減小印製板的尺寸，特別適用于時鐘頻率高於100MHz的工作站、晶片以及測試板和無線通訊等。
同時在電路設計方面，它還能將數位電路和射頻電路（RF）合為一體，有利於電子設備的小型化、輕量化、降低功耗、提高安全性，具有廣闊的應用前景。
在製造高頻微波用聚四氟乙烯多層板的過程中，應嚴格按工藝要求操作，提高產品質量，降低生產成本。
以上內容是我們在研究開發和生產過程中總結出的一些經驗，供同行參考，不對之處多提寶貴意見。
