射频多层电路板工艺技术研究

文/南京电子技术研究所  杨维生

【摘 要】 本文针对聚四氟乙烯射频介质基板材料，制造通讯用射频多层印制电路板的粘结方式进行了详细介绍，此外对粘结片材料的选择、以及本体粘结实现技术进行了研究。
【关键词】射频；多层电路板

一、前言
    现代通讯业的飞速发展，为射频基板的制造迎来了前所未有的大市场。作为射频多层板制造的基础，其材料构成及相关性能指标，决定了其设计最终产品性能指标的实现及可加工性。

    鉴于射频类聚四氟乙烯介质基板的设计运用越来越多，特别是近年来对聚四氟乙烯介质射频多层板设计需求的提升，给广大电路PCB制造企业，带来了前所未有的机遇与挑战。聚四氟乙烯射频印制板的多层化制造技术，在集中解决射频多层印制基板制造技术中的特性阻抗控制技术以后，选择何种粘结体系，实现射频板的多层化制造，成为每位设计师及工艺人员必须面对的问题。

    一般而言，运用于聚四氟乙烯介质层压基板材料的射频带状线结构制造，以及其他多层线路制造，粘结方式的选择不尽相同，需根据设计需求、相关企业多层印制板加工制程能力、产品质量及可靠性指标等决定。

    此外，随着现代通讯设计要求的飞速提升，多层电路的互连方式，已经不单单局限于通孔、埋通孔、盲孔、背靠背互连孔的制造，如上下“犬牙交错”互连孔的设计已然面世。

    面对目前各种新材料、新工艺的出现，各种各样的问题也在不断考验着从业者的智慧和能力，但是，对于聚四氟乙烯介质基板的多层化实现而言，其多项制造质量及可靠性的关注，应该始终是我们决策的主要依据。为此，广大印制电路板从业人员，特别是工艺技术专项人才培养显得尤为重要，希望能有越来越多的能人志士投身到无限的射频多层电路板加工中来。

二、射频结构多层板发展简历
2.1上世纪七十年代
当时，射频结构多层板主要集中于微带线结构的设计和加工，仍然是最为采用的射频/微波印制板设计，同时针对于军事用途的三平板传输线射频多层结构出现。这优势在于易于加工，且成本低；但没有好的粘结材料；存在根本缺陷（冷变形或气隙）。
2.2上世纪八十年代
粘结材料陆续出现，参见下表1所示；
当时已采用热塑性薄膜，相对低的熔化温度；但对于顺序层压效果不佳；且FEP的熔化温度较高，也存在压制困难。

2.3上世纪九十年代
出现带有粘结薄膜的带状线结构，射频介质居外侧的多层化结构；当今时代仍然常见。
2.4上世纪九十年代后期
混合介质多层板结构出现；混合介质为聚四氟乙烯+FR4或者碳氢聚合物+FR4；往往仅有微带线在表面（L1）；非平衡结构，翘曲问题、造价昂贵。
2.5本世纪初
仍然沿用混合介质多层结构；但已含有高频介质层的多层板；微带线于第一层、带状线于第二层结构。
2.6 从2005年开始
单片多层板结构和铜箔多层板结构并行，纯高频介质层的多层板结构，微带线和带状线结构设计皆有可能，且具有平坦结构。

三、射频多层板粘结方式介绍
    纵观整个射频多层板设计及加工历史，可供选择的粘结方式，大致可分为下述三类：

3.1直接粘结
在射频材料及相关射频电路印制板制造的历史长河中，多层化实现的第一种方法，首推直接粘结，或称熔化粘结。
直接粘结，实施起来可能存在某些难题。诚然，该种多层化粘结方式，省去了粘结用薄膜材料，但需要将温度升至介质芯板材料的熔点以上，直接将软化了的聚四氟乙烯表面熔结在一起(图1)。
因此，直接粘结方法的选择，必须依赖于高温层压设备能力的具备，否则，就是一句空话，实施更无从谈起了。
当然，有些企业面对于无高温层压设备能力的窘境，可以采取借鸡下蛋的方式，与相关聚四氟乙烯介质基板生产企业协作，解决多层化粘结难题。
从获得有效和高可靠性粘结的角度考量，直接粘结技术，的确是有其独到之处，按照专业学知识分析(依据相似相溶原理)，本体粘结，是所有粘结中最值得推荐、粘结质量最高、粘结可靠性最理想的一种技术。
此外，多层电路的互连方式，已经不单单局限于以往的互连技术，如上下“犬牙交错”互连孔的设计已然面世。针对上述“犬牙交错”互连孔需求的射频多层板制造，可选择相关层电路互连加工为基础，精确定位系统为保证，运用直接粘结方式，最终实现设计需求的互连。

    至于下述热塑性薄膜和热固性半固化片粘结技术，有其特点和优势，可以解决某些设计上所遇见的难题，如某些器件的埋入设计运用、内层高精细线路的制造、多次层压的多层化实现等。
最后，针对于热塑性薄膜和热固性半固化片的开发，是基于聚四氟乙烯介质基板制造企业目标的实现，结合当前印制板制造企业的设备能力，不得以而为之的，个中的滋味和苦衷，只有当事者去体会了。

3.2 热塑性薄膜粘结
    在射频多层板产生、发展的整个过程中，热塑性薄膜粘结材料，无论从设计选型、还是射频多层板的加工，都会是一个不错的选择。 通常，在排板制程中，交叉放置薄膜，来实现多层化装夹。

    其中，往往不为人们认识但需要关注的是，对于被选用的热塑性薄膜粘结材料，必须满足层压制程中的加热过程。换言之，该种热塑性薄膜粘结材料的熔点，需低于射频介质芯板——聚四氟乙烯树脂的熔点327℃(620oF)。

    随着层压温度的升高，超过热塑性薄膜的熔点，粘结膜开始流动，在层压设备施加于装夹板上均匀一致的压力帮助下，被填充到待粘结层表面的铜层线路之间。

    通常，热塑性薄膜粘结材料，按照层压温度的高低，大致分为以下两大类型。
(1)220℃层压温度控制
    此类较低温度热塑性薄膜粘结材料的运用，首推罗杰斯公司的3001(图2)。

    在滚滚岁月长河中，与之相似的热塑性薄膜粘结材料，尚有nelco公司、arlon公司的荣誉产品FV6700薄膜(图3)和Cuclad 6700薄膜(图4)粘结材料面向市场，为各自客户提供多层化粘结。

(2)290℃层压温度控制
    有别于上述较低温度粘结材料，尚有一种较高层压温度的热塑性薄膜粘结材料被广泛使用，也即是杜邦公司的FEP材料(图5)。

    如何选择，常常依赖于随后多层线路板加工的工艺路线，包括所经历的热过程、粘结所用薄膜的熔点、可靠性需求等。

3.3 热固性半固化片粘结
    第三种粘结方法，需要选用热固性粘结半固化片材料。装夹填充有该热固性半固化片材料的待压多层板，定位装夹，随后进行程序升温操作。

    热固性半固化片往往具有较低的粘结温度，低于聚四氟乙烯芯板介质材料的熔点327℃（620oF）。

    随着层压温度的逐渐升高，半固化片树脂会随之流动，借助于附加在多层待压板上均匀一致的压力下，填充于铜线路图形之间。

    对于传统FR-4介质材料与聚四氟乙烯介质层压板进行粘结的多层混压板结构，根据经验，通常可选用环氧树脂类半固化片材料。但是，选择环氧树脂半固化片时，应当慎重考虑其对电性能所造成的影响。
此类热固性半固化片粘结材料，罗杰斯公司的传统优势材料，有RO4450B（图6）。

    另外，雅龙公司曾经市场占用率较高的25N半固化片（图7）粘结材料，也为业界同仁们广泛运用，获得了较好的市场收益。

    当然，传统聚四氟乙烯介质基板制造企业的泰康利公司，也有其独到的半固化片粘结材料FasrRise 28（图8）活跃于射频多层板制造领域。

四、讨论和建议
    众所周知，射频多层板的设计和制造，将越来越普遍。为获得理想的电气性能、高品质的射频多层板制造质量、以及使用之高可靠性，须重点关注下述诸点。
4.1关于射频多层板粘结材料的选择
    提起射频多层板的设计与制造，必定会提及射频介质基板的构成情况。不同的树脂体系，决定了其设计要求及可加工性；相同的树脂体系、不同的填充方式，也导致其设计要求及可制造性。
4.1.1 玻璃纤维填充聚四氟乙烯射频多层板制造
    对于玻璃纤维填充之聚四氟乙烯树脂体系射频介质基板，沿用权威人士的忠告，不建议进行多层化设计及制造。如果不得不为之，根据相似相容的原则、以及电讯设计方面的考量，优选热塑性树脂粘结材料；如果必须设计有金属化互连孔，考虑到层间结合力、以及该类型介质材料Z-轴热膨胀系数较大之特点，建议通过下述两种方法“泰然”处之：(1)延长图形电镀铜制程时间，加厚孔壁镀铜层厚度，希望能最大限度提升抵抗介质热膨胀导致孔壁铜层断裂的能力；(2)增加金属化孔制造后的树脂塞孔制程。

    此外，对于设计互连要求，必须进行多次压合制作的情况，建议选择适当的热固性粘结片材料。
4.1.2 陶瓷粉填充聚四氟乙烯射频多层板制造
    对于陶瓷粉填充之聚四氟乙烯树脂体系射频介质基板，由于其材料构成的独特性，使其成为射频多层板设计和制造的宠儿，其粘结材料的选择较为宽松。

    为了实现多次层压制作、高层间结合力、以及苛严条件下的使用可靠性，建议优选热固性树脂粘结材料。

4.2关于射频多层板的结构设计
    射频多层板的结构设计，需考虑到制造的可加工性。在可能的情况下，给制造留有一定的空间，尤其需关注下述各方面：(1)线路精度、间距、层间重合精度；(2)图形引出端位置精度；(3)埋置平面电阻阻值精度；(4)层间互连方式。

    呼应前面所述，对于上述提及的层间互连方式，在无法回避之情形下，针对“犬牙交错”互连孔需求的射频多层板制造，可选择相关层电路互连加工为基础，精确定位系统为保证，运用直接粘结方式，最终实现设计需求的互连(图9)。

4.3 关于LTCC多层微波器件替代加工尝试
    作为罗杰斯公司荣誉产品的LCP（液晶聚合物）材料ULTRALAM 3850HC，其独特的产品特点，赋予其材料特性方面的优势，为LTCC微波器件的加工，另辟蹊径。该材料的多层化制作，需要罗杰斯公司的最新粘结片材料，2929 Bondply。虽然LTCC的实现相对不那么复杂，但是，如何使产品满足电讯调试的要求，是摆在工艺同仁面前的相对较高的难题。

    但是，相较于目前低温陶瓷烧结工艺制造射频器件而言，选用罗杰斯公司等先进的、高性能的射频基板材料，借助微波多层印制电路板制造先进技术，可满足更大尺寸微波射频器件的制造，为射频器件多层化设计实现，提供了另外一个途径。

五、结束语
    各类通讯用射频印制板，尤其是聚四氟乙烯类介质材料的运用，在原有对印制板之单、双面制造要求的基础上，越来越向射频多层化电路板制造方向迈进。这种射频多层印制电路板有别于传统意义上的多层印制板，由于其层压制造之特殊性，对层间重合精度、图形制作精度、层间介质层厚度一致性、镀层均匀性及涂覆类型、以及层间结合力，提出了更为苛刻的要求。

    针对射频类聚四氟乙烯介质的多层化实现技术，是当今许多设计和制造者所面临的一道难题，可谓任重而道远。

    面对目前各种新材料、新工艺的出现，各种各样的问题也在不断考验着从业者的智慧和能力，但是，对于聚四氟乙烯介质基板的多层化实现而言，其多项制造质量及可靠性的关注，始终应该是我们决策的主要依据。