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plasma在高频微波印制板中的运用-扬州国兴技术与您探讨
编辑:原创 浏览:1161 发布日期: 2021-03-25
信息摘要:
plasma等离子体的活性很强,正是利用这个特性,驱使它和环氧或聚四氟乙烯钻污起化学反应而消除之。在PCB生产工艺中,去钻污使用高锰酸钾法,浓硫酸法等,这些方面对FR4基材的多层板有效,但对PTFE基材不起作用。

plasma在高频微波印制板中的运用,首先大家来了解高频微波印制板相关常识:

定义

● 什么叫高频?

通常短波频率≥300MHz,即波长≤1米的范围,称作高频。

● 什么叫微波?

通常频率≥1GHz(100MHz),波长≤300mm的电磁波,称作微波。

● 高频微波印制板

在高频微波基材覆铜板上,加工制造成的印制板叫高频微波印制板。

类型:单、双、多层,刚性。

高频基材+普通FR4基材,制成的是混合型多层板。

高频基材+金属基,混合压成的基材制成的印制板叫高频金属基印制板。

2.2 快速发展原因

● 通信业的快速进步,原有的民用通信频段拥挤,高频通信部分频段(军用)逐渐让给 民用。民用高频通信获得超常规速度发展。

卫星接收,基站,导航,医疗,运输等各个领域大显身手。

● 高保密性,高传送质量,要求移动电话,汽车电站,无线通信向高频化发展。

高画面质量,要求广播电视传输用甚高频播放节目。

高信息量传送信息,要求卫星通信,微波通信,光纤通信必须高频化。

● 计算机技术处理能力增加,信息存储容量增大,迫切要求信息传送高速化。

因此,电子信息产品高频化,高速化对PCB提出了高频特性的要求。

高频微波PCB成为电子信息高新科技产业必不可少的配套产品。

2.3 对基材的要求

● 印制板的整体特性,加工性能,长期可靠性,在很大程度上取决于基板材料。

● 为达到高频高速传送信号,要求基材必须考虑:

1)Dk(εr),dielectric constant,或 relative permittivity,介电常数。

2)Df(tanδ),loss tangent,或 Dissipation Factor,介质损耗因素(介质损耗角  正切)。

● 基材结构:玻纤,树脂,填料。

● CTE(热膨胀系数)。

● 其它—剥离强度,绝缘电阻,Tg,阻燃,吸水性……

2.4 介电常数Dk

1)定义:某电介质电容器的电容与同样构造的电容器在真空状态下电容之比。

2)覆铜板的介电常数

● 覆铜板基板由树脂,增强材料(布、纤维、纸),填充剂组成,构成电的绝缘体,称为电介质。基材实际上就是整块印制板中的一个电容器。

● Dk大,表示存储电能大,电路中信号传播速度就会变低。

● Dk小,电信号传播速度就快。

● 通常,印制板上的电流信号的电流方向,是正电、负电相互交替变化的,这样频率化的交换,相当于 “充电—放电—充电” 的过程。在互换中,只要有少量电容存留,就会影响传输速度。

● 在高频线路中,信号传播速度公式:

V—信号传播速度

K—常数

C—光速,3×108m/s

Dk—基板介电常数

● 降低Dk,有利于提高信号的传播速度。Dk越大,传输速度就会越低。Dk越小,传输速度越快。

● 因此,利用PCB的低介电常数,来达到信号传播的高速度。

这就是为什么高频微波印制板要求低介电常数的原因。

3)低Dk基材

● PTFE(聚四氟乙烯),俗称Teflon。

分子结构:             。分子结构是对称的,因而具有优良的物理、化学、电气性能。相对密度2.14~2.20。熔点327℃,吸水性(24小时)<0.01%。

● “塑料王”:耐许多强腐蚀性物质,至今尚无一种能在300 ℃ 以下溶解它的溶剂。

● PTFE,Dk=2.1,很低。

聚四氟乙烯玻纤布覆铜板,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印制板的信号传播速度快40%以上。

● PTFE缺点

刚性差,铣外形毛刺多,PTH困难,成本高,加工困难。

● 除FTFE外,其它Dk低的基材

基材的Dk低,需选用低Dk树脂,玻纤,填料。

聚丙醚Dk2.5,氰酸酯2.9,聚丁二烯3.0,环氧树脂3.9,电子级玻纤Dk6.6,新型NE玻纤布4.4。

Dk树脂+低玻纤布组合加工而成的低Dk覆铜板有以下几类:

PI—聚酰亚胺环纤布覆铜板,Dk3.8;PPO—聚苯醚玻纤布覆铜板,Dk3.5;

CE—氰酸酯玻纤布覆铜板,Dk4.0;BT—双马来酰亚胺改性三嗪Dk4.1~4.3。

● 最低Dk的基材

Dk=1.15~1.35(不含PTFE)

介质损耗Df=0.002-0.005,比重0.35g/cc,吸水率<0.5%。

峰房式结构。轻型,不耐热。作高频微波金属天线(美国Arlon企业产品)。

2.5 介质损耗因素(Df)

1)定义:

● 电介质材料在交变电场作用下,由于发热而消耗的能量称为介质损耗。

通常以Df或tanδ表示。也称介质损耗角正切。

2)Dk和Df成正比例。

● Dk小,Df也小,即能量损耗也小。

● PTFE的Df=0.002,比FR4的Df=0.02低了10倍。

PTFE基材的Dk,Df都小,且稳定,几乎没有变化。

PTFE具有优秀的耐潮湿性,吸水率非常小。

PTFE绝缘性能很高,1014~1015欧姆。

3)其它高频微波板材Df

● PI(聚胺亚胺)0.008;

● PPO(聚苯醚,PPE)0.003;

● CE(氰酸酯)0.006~0.008;

● BT(双马来酰亚胺改性三嗪)0.004~0.008。

2.6 其它性能

● 基材结构—玻纤,纤维;树脂—环氧,PI,PPO;填料—陶瓷,云母……。(对加工工艺有影响)

● CTE(热膨胀系数)

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

● 其它—剥离强度,绝缘电阻,吸水性,阻燃性,Tg,耐热性(对加工过程,产品使用有影响)。

例:Rogers R04003,玻纤+陶瓷,Tg280℃,Dk3.38,Df0.0022,加工性能同FR4相似,不阻燃,371 ℃(700℉)着火。

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

● 基材铜厚,板厚。

铜箔—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,考虑价格性能比,用簿板,≤0.8,0.5,0.3mm常用(高频微波基材比FR4贵几倍,十几倍)。

板厚通常不含铜厚。

2.7 Dk=1.15~10.2的各种板材

● 供应商:美国

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

● Dk1.15~10.5,全球有100~200个品种。(见另外的附表)

● 日本:三菱瓦斯,松下,住友,日立化成,Chukok等。

● 国产:泰州高频覆铜箔板材厂,西安704所等。

● 影响高频微波板关键性性参数是Dk和Df,通常Dk最低值2.17,Df0.001。

● Dk低的板材,通常是PTFE+玻纤。

● Dk3.2-3.8,不含PTFE,其结构是聚酯,聚酰亚胺,聚丙醚,玻纤,陶瓷。加工性能类似于FR4。

● 高频微波多层板,应选择相匹配的半固化片(PP)。Dk2.3~3.5常用。

● Dk在不同频率下测试会有些变化,但变化量不大。

例如:频率从500MHz变化到10GHz,PTFE的Dk变化为0.5%,而FR4变化为7%。

2.8 高频微波印制板基本要求:

1)Dk,介质层厚度,铜厚符合图纸要求。

2)线宽/间距公差要求严格。

● IPC-6018,±10%。

● 实际上,很多客户要求, ±0.02mm, ±0.015mm。

特性阻抗公式:

Dk—介电常数,H—介质厚度(不含铜厚)

W—线宽,T—导线厚。

上述4个因素,影响最大的是H(介质厚度),其次是Dk,W,最小的是T。选定基材后,Dk,H变化小,T(导线厚)较易控制,W(线宽)控制成为工程设计定型后生产PCB的难点之一。

线宽控制±0.02mm是关键。

3)导线划伤,凹坑,缺口,针孔,不允许。

阻焊厚度会影响高频信号传输。

孔内铜厚也会对信号传输有影响。

4)对PTFE,热冲击228℃,10秒,1-3次,PTH孔不发生孔壁分离。

2.9 PTFE印制板生产工艺技术

2.9.1 PTFE印制板加工难点

1)钻孔

● 基材柔软,叠板数不能多。

● 转速要慢些。

● 基材磨损钻头利害。

● 钻头顶角、螺纹角有其特殊要求。

2)印阻焊

● 丝印前不能用刷辊磨板(氟树脂的影响,附差力)。

(钝化,水洗,吹干;化学法处理)

3)HAL(热风整平)

● 预热

● 无铅HAL,锡缸温度265℃(避免板材急速加热,影响到导线,焊盘脱落或翘起)。

4)铣外形

选合适的铣刀和参数(否则,毛刺多)。

5)工序转运

防划伤、针孔、压痕、缺口。

特制装载转序工具。

6)蚀刻

严格控制线宽。百倍镜检查。

(工程设计,蚀刻参数,管理……)

7)PTH—难点之一,关键步骤之一。

● 传统的PTH工艺行不通。PTFE基材孔内不润湿。

● 方法一:金属钠,萘,四氢呋喃液—化学法。

形成萘钠络合物,浸蚀孔内PTFE表层分子,达到润湿孔的目的。

优点:效果良好,质量稳定,适宜量产。一次性投入成本不高。

缺点:毒性大,钠易燃,危险。需强烈抽风,专门房间,专人管理。

● 方法二:等离子体法(Plasma)。

在二个高压电极之间注入CF4,氩气,氮气,氧气。PCB放在二个电极之间,腔体内形成等离子体状态,从而把孔内钻污、脏物除掉。

优点:效果佳,质稳定,适宜批量生产,工艺简单,易控制,毒性小,干净。

缺点:设备价贵。

2.9.2 双面PTFE印制板的制造

1)工艺流程

工程设计→下料→钻孔→孔处理→PTH →全板镀→光成象→QC→图形镀→蚀刻→防氧化处理→QC→阻焊/字符→HAL(或沉Ni/An,Ag,Osp)→外形加工→FQA→包装出货。

2)控制要点—化学沉铜前

● 板材存放平放:下料时,不必烘板。

● 钻孔:参数同FR4不一样,用新钻头。2拼板/叠(0.8~1.6mm板厚)。

钻头形状:顶角120℃,螺纹角27 ℃。

● 钻孔后,轻度刷板,高压水洗。磨痕宽度8-10微米。

● 孔处理:

A、化学法:

● 萘纳处理槽→溶剂处理槽→热水洗(2次) →烘干→PTH。

● 萘钠槽:不锈钢槽,盖密封,充氮气(使空气与药液表面形成界面,隔绝水 份,空气进入)

● 槽架:不锈钢。

● 钠金属:盛装于煤油中,切成小块投入槽中溶解,不锈钢棒搅拌。严禁水带入(否则会燃烧爆炸)。室温下,浸泡几分钟。

● 房间:强抽风,地板干燥,不存放酸、碱或无关物品,外人不许进入,板子处理后吹干。操作人员经特殊培训。

● 溶剂处理槽:无色透明溶剂,低沸点,易燃。室温下浸泡几分钟。塑料槽。目的是去除残余的萘钠溶液。

●热水洗:55℃,浸泡2-3分钟,转入自来水洗。

● 板子要吹干。

● 板子经处理后进入PTH生产线,不必进入除钻污槽,从降油槽开始,正常的PTH工艺。

B、Plasma法:

● 等离子体是物质存在的另外一种表现形式,是物质存在的第4种形态(固、液、气三态)。

● 等离子体在许多方面类似气体,但在某些方面却存在重要区别。

● 等离子体由带正电荷、负电荷离子以及游离基团和紫外线辐射粒子所组成,就是说,等离子体是离子化的气体,是一种能量提升状态的气体。

● 等离子体的活性很强,正是利用这个特性,驱使它和环氧或聚四氟乙烯钻污起化学反应而消除之。在PCB生产工艺中,去钻污使用高锰酸钾法,浓硫酸法等,这些方面对FR4基材的多层板有效,但对PTFE基材不起作用。

等离子体对PTFE基材钻污可以起到化学反应。

● 很显然,等离子体及其活性是极不稳定的,需要高频电磁场能量。当某种条件中止或消失时,等离子体组成中的各种粒子会瞬间互相选择地结合起来,等离子体退化为原始的气体态,活性消失,等离子体也就不再存在。

● 等离子体的生成条件。

1)一个容器腔体形成真空状态。

2)以高频发生器向腔体内的正负电极施加高频电磁场。

3)在腔体内,注入所需的气体。气体在正、负电极间被电离,形成等离   子体。

4)当不存在抽真实状态,高频电磁场消失,等离子体即成为原始气体状态。

● 等离子体去除钻污

在抽真空的腔体内(抽真空几十至100m Torr [托] )

在二个正负电极中加高频电磁场,注入气体(CF4,N2,Oz,Hz),从而形成等离子体。

放在二块电极之间的印制板孔内表面上的PTFE钻污、脏物等固体与等离子体接触起化学反应,生成新的气体化合物被真空泵带走,从而使PTFE印制

板孔内的氟树脂由非极性变成极性。

● 清洗孔的二个步骤:

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

15分钟。

第二步:除孔内钻污。气体:N2(80%)H2(20%),75 ℃, 20分钟。

一步法:混合气体O2/CF4/N2(80/10/10),30分钟,效果不错。有人用二种混合气体H2/N2(70%/30%)作处理R03000板材(Dk=3.0)。

使用不同气体和比例会获得不同效果。对不同高频微波板材,处理用的气体及参数也有所不同,要通过实践摸索本企业的使用气体和相关参数。

● 等离子体系统(设备)组成:

五个部分:腔体(方形、园形),真空泵,高频发生器,控制器,混合气体源。(设备系统包含不同的技术专利)。

● 板子经Plasma处理后应马上进行化学沉铜,不应停留超过24小时。

C、孔的前处理的其它方法:

除了萘钠化学法,Plasma法作孔的前处理外,还有其它的方法:(文献收集)

1)复合型PTFE板,浸泡新型玻璃蚀刻液。

● 成份:氟化氢铵20%,硫酸10%,30-40℃,1-1.5分钟。

● 过程:板子除油,清洗,微蚀,清洗,浸泡本溶液,清洗,板子进入预浸、            活化、还原、PTH、清洗、板面镀铜、转入光成象。

2)二步法:

第一步:氟化氢铵(10-20%),10%硫酸混合液,40℃,2分钟。

第二步:氢氧化钠(5~10%),硫酸亚锡(20%)混合液处理。1分钟,   水洗,然后PTH。

3)在制板,浸泡四氢呋喃(100%)液,3-5分钟,水洗,酸洗,化学沉铜,极面电镀,光成象。

4)在制板,在沉铜缸前的各处理槽连续走二次(包括活化槽),再作沉铜。

● 以上几种处理方法,来自文献报道,仅供参考。

经典方法是钠萘化法,Plasma法。

● 考核PTFE成品板方法:

热风整平(250-265℃),3秒/次,3次;热冲击(288℃,10秒)。

作微切片,观察金属化孔:孔壁无剥离,镀层和拐角无裂纹,无空洞,焊盘不起翘,孔内铜厚≥20微米。

3)控制要点——沉铜、光成象、图镀、蚀刻、阻焊、外形加工。

● 背光检测,全板镀铜后。

● 全板镀,图形镀铜,低电流密度,长周期参数生产。控制孔内铜和表面铜厚均匀性。(线路铜厚不均匀,影响蚀刻,影响线宽公差±0.02mm控制)。

● 蚀刻后必查线宽/间距。(注意底片线宽工艺补偿值——经验数据总结)。

● 蚀刻后防氧化处理,苯骈三氮唑液,使铜表面形成一层无色保护膜。

● 阻焊:不许机械磨板,否则会破坏PTFE基材,影响阻焊与基材间附差差力。只能化学清洗。

有的PTFE板,阻焊剂仅印在线路上,覆盖线边缘0.25mm,基材上不让印阻 焊。否则影响信号传输。

PTFE板软,烘板要作特殊插架,防板翘曲,防沾污板面。

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