基于雷达TR组件的高多层微波板工艺研究.pdf

2023春季国际PCB技术/信息论坛164特种印制板制造技术 Special PCB technology基于雷达TR组件的高多层微波板工艺研究 Paper Code:S-053 张长明 黄建国 王 强 唐成华 徐 缓 （深圳市博敏电子有限公司，广东 深圳 518000）摘 要 雷达天线中T/R模块是基本组件，其功用在于实现对发射信号的放大、对接收信号的放大以及对信号幅度、相位的控制，要求具备大功率、高效率、低噪声的同时，小型化和轻量化也是重要的设计指标。文章通过多次压合设计，超薄PTFE芯板增加补强板方式层压，利用二次激光控深揭盖、孔点电镀+POFV、过腐蚀高精度控深等技术。消除高多层微波板的过孔处产生“Stub”分叉、阶梯槽分层开裂，造成的传输信号完整性变差或失效等问题,从而达到TR组件的高多层微波板研发目标。关键词 多次压合；超薄芯板；补强板；过腐蚀；高精度控深 中图分类号：TN41 文献标识码：A 文章编号：1009-0096（2023）增刊-0164-06 Research on high multilayer microwave technology based on radar TR moduleZhang Changming Huang Jianguo Wang Qiang Tang Chenghua Xu Huan Abstract T/R module is the basic component of radar antenna,whose function is to realize the amplification of the transmitted signal,the amplification of the received signal and the control of the signal amplitude and phase.It requires high power,high efficiency,low noise and miniaturization and lightweight are also important design indicators.This essay introduces the lamination ways such as the multiple pressing design and the ultra-thin PTFE core plate to form reinforcement plate.It also uses the technologies such as secondary laser control of deep cover,hole point plating+POFV,high precision control of deep over corrosion,etc.to eliminate the problems of Stub bifurcation at the cross hole of high multilayer microwave plate and the layered crack of step slot,which result in the transmission signal integrity deterioration or failure.It achieves the research and development goal for high layer microwave PCB of T/R module.Key words Multiple Pressing;Ultra-Thin Core;Reinforcement Board;Over Etching;High Precision Depth Control1 背景雷达通过天线向给定的外部区域辐射并接收电磁波，以获得目标的物理位置及其它与跟踪目标有关的信息电子设备。计算机技术、数模混合集成电路技术及微波移相技术的快速发展，有源相控阵技术具有多目标、远距离、高可靠性和高适应性等优势，正由雷达向通信电子、定位导航等多领域发展。新型器件如功率微波器件、VHSIC、MMIC 的出现，每个天线辐射阵元用一个接收机和发射功放阵列，每个天线阵元可以是固态T/R组件，使相控阵雷达天线变为有源165特种印制板制造技术 Special PCB technology 2023春季国际PCB技术/信息论坛相控阵天线，有源相控阵雷达作为相控阵雷达的一个核心领域被广泛使用1。T/R模块是有源相控阵雷达天线的基本组件和关键技术，T/R组件的主要功能是完成信号的功率放大和天线波束的空间扫描，实现对发射信号的放大、对接收信号的放大以及对信号幅度、相位的控制，由低噪放、功放、限幅器、移相器等组成。微波开关、功率放大器、低噪声放大器、移相器和电源控制等部分的复杂电路系统，技术上覆盖微波电路、数字控制电路等方面。高性能T/R组件对电路器件的性能参数、机械结构、电磁兼容性能、稳定性都有很高要求，有源相控阵TR组件在要求具备大功率、高效率、低噪声的同时，小型化和轻量化也是重要的设计指标2。为拓宽公司订单类型，增强公司研发创新能力，公司引入相控阵雷达的关键部件-TR组件的高多层微波板做研发试样，其产值更高的同时加工过程亦更具挑战性，TR组件高多层微波板结构复杂包括了4种PTFE材质混压、10种不同深度的埋盲孔、两种浅盲槽设计。2 产品解析：2.1 产品信息以A型号为例解析雷达TR组件高多层微波板的加工特性,具体如表1所示。表1 TR组件高多层微波板的加工特性2.2 TR组件高多层微波板制程难点a.10种不同深度的埋盲孔层压设计,包含盲孔、背钻盲孔、控深钻、激光控深铣、背钻等工艺；b.芯板厚度0.127 mm的泰康尼TSM-DS3-M的PTFE薄芯板是一种陶瓷填充增强材料，其玻璃纤维含量非常低约5%，蚀刻后刚性太差，层压生产过程中的移位，压合后变为层偏；c.背钻孔钻到两层之间，此介质厚度仅0.127 mm，受板翘和板厚均匀性影响背钻深度公差不易控制；d.浅盲槽由于芯板较薄，在不同的烧烤工序和磨板工序会出现揭盖的起泡问题；e.PTFE由于材质较软，板面的高低差在树脂磨平时易产生露基材问题。3 主要研究内容3.1 研究多次压合的设计与层压技术任意层HDI作为高阶互连技术的最高境界,其应用已越来越受到追捧3。似乎应该是这款高多层微波板层压不错的选序号 项目 规格及公差 1 材料 板材:泰康尼TSM-DS3-M PP:FR-28-0040-50/FR-27-0035-66 2 板厚 芯板:0.127 mm、0.254 mm两种芯板 成品板厚:2.7 mm10%3 叠构/层数 三次压合,并且有埋孔、盲孔、背钻盲孔、控深钻、激光控深铣、背钻等流程 层数:20层 4 铜厚 孔铜Min18 m,Avg20 m;表铜35 m 5 线宽 最小内层线宽:0.15 mm10%;最小外层线宽:0.1556 mm10%;6 尺寸 控深槽:65.11 mm22.06 mm0.2 mm、13.35 mm3.8 mm0.2 mm 外形:74 mm74 mm 7 表面处理 电镀纯金2 m 2023春季国际PCB技术/信息论坛166特种印制板制造技术 Special PCB technology择，但HDI流程适用于环氧树脂类材料（Epoxy，EP）、聚苯醚树脂材料（Polyphenyene oxide，PPO）等材料,而聚酰亚胺（Polyimide，PI）、聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，PTFE）材料采用激光打孔则效果较差。以0.2 mm的聚四氟乙烯材料做激光盲孔孔金属化及填孔后切片图片如图1，PTFE激光盲孔加工难度大，易出现孔口毛刺、不平滑、盲孔底部与内层铜箔结合力差的不良现象。除品质隐患之外，9次层压至蚀刻的流程，太过冗长的流程耗费了相当的人力、物力，严重压缩了产品的盈利空间，且有0.25 mm厚度的芯板深度较深，填平消耗过多的电镀产能；以及薄芯板揭盖流程在HDI工艺中较难实施。图1 PTFE激光盲孔金属化及填孔切片图TR组件高多层微波板的层压叠构中L0312、L1320的盲孔和背钻设计，针对不同层次的盲孔。设计了多次层压机械盲孔叠构。其高频材料的4种PTFE材质混压、10种不同深度的埋盲孔，以多次层压的方式解决，以L03L12、L13L20分别做第一次压合，并完成此两个压合后芯板的线路图形与孔金属化；继而将此两个芯板做二次压合，完成L03L20的压合，并完成L0320的线路图形与孔金属化；再以L0102与L0320压合的方式，完成20层板的压合,并按设计要求制作后续流程。设计为三次层压的设计方式完成包含埋孔、盲孔、背钻盲孔、控深钻、控深铣、背钻等工艺，如图2三次压合的设计方案。图2 三次压合的设计方案167特种印制板制造技术 Special PCB technology 2023春季国际PCB技术/信息论坛3.2 研究PTFE薄芯板的过程控制技术一压之前，由于最外层芯板厚度只有0.127 mm的蚀刻后芯板，芯板为陶瓷填充增强材料，其玻璃纤维含量低，刚性差，在层压过程中，易产生变形和移位，几组试验其准度皆不符合品质要求。研究后调整方案：在L0312、L1320两面最外层各加盖1张PTFE垫板0.762 mm做为最外层补强板，与厚度为0.127 mm的芯板铆合，减小薄芯板变形带来的偏位。图3为层压前X-Ray图片，层压前已有偏移，图4为层压后X-Ray图片，偏移已较严重，从品质角度衡量不可接受。调整方案为在两面最外层各加盖1张PTFE垫板0.762 mm做为最外层补强板，减小薄芯板变形带来的偏位。图5、图6为加盖1张PTFE垫板0.762 mm+硅胶的层压前、后X-Ray图片，偏移程度较小，品质可接受。同样的补强板还需要用在第三次层压的L12上。图3 加硅胶层压前 图4 加硅胶层压后 图5 盖0.762 mmPTFE再加硅胶层压前 图6 盖0.762 mmPTFE再加硅胶层压后3.3 研究过腐蚀高精度控深技术在TR组件高多层微波板产品资料中，有两种深度的背钻，分别为深度0.3 mm0.1 mm和深度0.12 mm0.05 mm，背钻深度为0.3 mm0.1 mm，公差较宽在制作范围内，较容易达成；另一种背钻深度0.12 mm0.05 mm，就单从公差方面可以控制，但是在做到3次压合后，板翘与板厚均匀性的影响已经超出了公差能控制的范围，此时使用背钻极易钻穿L18造成产品的开路,而临界制程能力的极限形成的不确定性和批量生产时监控的局限性，增加了潜在品质隐患。针对此问题，研究高精度控深技术：即增加过腐蚀高精度控深流程。在孔金属化后增加特殊图形转移、图形镀锡、去干膜、过腐蚀、退锡然后做POFV流程4。以酸性干膜做图形转移，曝光显影后在干膜上与所有待过腐蚀控深孔位置对应的位置都形成有一环形开窗，所述环形开窗内外孔径之间的距离为0.2 mm，且该环形开窗的内孔径比待过腐蚀控深孔的孔径小0.05 mm，将待过腐蚀控深孔的边缘覆盖。图形镀锡处理后在待过腐蚀控深孔的环形开窗位置形成厚度为（58）m的环形锡层，以将待过腐蚀控深孔的边缘覆盖0.05mm，使待过腐蚀控深孔的边缘不被腐蚀，采用碱性蚀刻液做孔铜过腐蚀，按照蚀刻速率计算蚀刻深度，完成过腐蚀；其中单面过腐蚀以被蚀刻面朝下为准计算，由于蚀刻精度的公差通常以0.01 mm为单位计算，所以可以轻松完成0.12 mm0.05 mm的要求，实现高精度控深。蚀刻深度蚀刻后图片如图7所示，而背钻形成的效果如图8所示。2023春季国际PCB技术/信息论坛168特种印制板制造技术 Special PCB technology 图7 过腐蚀代替背钻切片图片 图8 背钻切片图片3.4 研究高频材料的孔点电镀+POFV技术多次层压技术的多次孔金属化，为保证面铜满足蚀刻要求，不可避免的要用到孔点电镀技术。孔点线路制作过程中，不同孔径的开窗，是孔点电镀的一个重要指标，如果孔径较小，需考虑曝光不良问题，做适当的加大开窗，通常D+2已可以满足曝光要求，较大孔径的孔点电镀制作，则考虑缩小开窗，方便下工序的孔点打磨，应用在高频材料中孔点电镀时注意夹板方式可能带来的折坏问题，需要配合厚度2.0 mm的陪镀板（Dummy）来做陪镀。孔点打磨前可以不退掉孔点电镀时的干膜光阻，以保护面铜在磨刷时不会面铜不均或露基材，因为板翘和无内层厚铜分布差导致的表面不平整磨刷时经常发生露基材不良。孔点电镀磨平和树脂磨平多用陶瓷刷，有干膜光阻保护的也可以用沙带磨平，前提是打磨时不会出现露基材问题。树脂塞孔前增加塞孔孔点图形转移，孔点图形转移后做树脂塞孔，或根据孔点打磨时留下的干膜光阻的厚度，在原有干膜光阻上做树脂塞孔，磨平树脂时在干膜光阻上进行树脂磨平，消除树脂磨平后发生露基材的潜在隐患。3.5 研究二次激光控深铣的揭盖技术控深揭盖，在阶梯槽板型制做过程中，始终做一个制程难点存在，控制稍有不当就会造成失压或流胶溢出等品质问题，影响下游工序的打件。控深揭盖工艺在压合时PP及芯板进行开窗处理，在开窗位置填充硅胶等缓冲材料，压合时采用复型材料进行缓冲，外层进行控深揭盖，取出填充物，露出盲槽pad5。浅阶梯槽按照常规的控深揭盖流程，在电铣前做控深揭盖，但此控深面积较大22.06 mm65.11 mm，受应力影响硅胶会开裂，一直延伸到板内如图9，造成局部位置分层开裂报废。针对性改善措施：根据待加工浅阶梯槽的面积在高频基板上钻对应数量的导气孔，通过导气孔实现了压合过程中产生的水汽和空气等顺利排出，其中每一个导气孔的面积对应待加工的浅阶梯槽面积为1：350360。以及利用二次激光控深揭盖对不同面积大小的浅阶梯槽的加工，避免了高频板0.3 mm以内浅阶梯槽受应力影响而出现的分层、开裂及揭盖时盲槽边易破损等问题，第一次激光控深揭盖与第二次激光控深揭盖图形一致，其中控深揭盖位置的面积大于300 mm2需做二次激光控深揭盖，第一次激光控深揭盖图形面积为第二次激光控深揭盖图形面积的40%6。通过第二次激光控深揭盖完成PCB板上所有位置的控深揭盖,在揭盖时以第一次揭盖位置向外揭盖可避免槽边破损问题，如图10。图9 从揭盖位置开始分层 图10 更改为提前揭盖后的成品板169特种印制板制造技术 Special PCB technology 2023春季国际PCB技术/信息论坛4 总结基于雷达TR组件高多层微波板的难点较多，包括4种PTFE材质混压，层数20层，最薄芯板厚度0.127 mm；高多层高阶埋盲孔，共10种不同深度的埋盲孔采用控深钻、背钻、过腐蚀、多次层压等方式完成；高精度控深技术，控深精度0.063 mm；浅盲槽揭盖技术，非金属化盲槽深度0.2 mm等技术难题。采用多次层压设计、超薄PTFE芯板增加补强板方式层压、孔点电镀+POFV、过腐蚀高精度控深、浅盲槽增加排气孔和排气槽、二次激光控深铣等创新方式，完成基于雷达TR组件高多层微波板的制作。参考文献1 高燕等.有源相控阵雷达发展概况及应用J.通讯世界,2017-01-12.2 古学谦.基于雷达系统中T/R组件的研究与分析D.湖北工业大学,2019.3 陈世金,徐缓,杨诗伟,韩志伟,邓宏喜.任意层高密度互连电路板制作关键技术研究J.电子工艺技术,2013年05期.4 张长明,黄建国,王强,唐成华.一种过腐蚀控深的方法,中国,0513984.6P.2021-07-27.5 黄建国,王强,张长明,徐缓.一种局部金属半包边凹槽高频印制板的制作方法J.印制电路信息2018春季论坛.6 张长明,徐俊子,王强,黄建国,徐缓.一种防止PCB浅阶梯槽分层的方法,中国,0546742.7P.2019-09-06.第一作者简介张长明，深圳市博敏电子有限公司研发高级工程师，主要从事新技术研发及新产品的开发。