定義

● 什麼叫高頻？

通常短波頻率≥300MHz，即波長≤1米的範圍，稱作高頻。

● 什麼叫微波？

通常頻率≥1GHz（100MHz），波長≤300mm的電磁波，稱作微波。

● 高頻微波印製板

在高頻微波基材覆銅板上，加工製造成的印製板叫高頻微波印製板。

類型：單、雙、多層，剛性。

高頻基材+普通FR4基材，製成的是混合型多層板。

高頻基材+金屬基，混合壓成的基材製成的印製板叫高頻金屬基印製板。

2.2 快速發展原因

● 通信業的快速進步，原有的民用通信頻段擁擠，高頻通信部分頻段（軍用）逐漸讓給 民用。民用高頻通信獲得超常規速度發展。

衛星接收，基站，導航，醫療，運輸等各個領域大顯身手。

● 高保密性，高傳送品質，要求移動電話，汽車電站，無線通信向高頻化發展。

高畫面品質，要求廣播電視傳輸用甚高頻播放節目。

高資訊量傳送資訊，要求衛星通信，微波通信，光纖通信必須高頻化。

● 電腦技術處理能力增加，資訊存儲容量增大，迫切要求資訊傳送高速化。

因此，電子資訊產品高頻化，高速化對PCB提出了高頻特性的要求。

高頻微波PCB成為電子資訊高新科技產業必不可少的配套產品。

2.3 對基材的要求

● 印製板的整體特性，加工性能，長期可靠性，在很大程度上取決於基板材料。

● 為達到高頻高速傳送信號，要求基材必須考慮：

（1）Dk（εr），dielectric constant，或 relative permittivity，介電常數。

（2）Df（tanδ），loss tangent，或 Dissipation Factor，介質損耗因素（介質損耗角  正切）。

● 基材結構：玻纖，樹脂，填料。

● CTE（熱膨脹係數）。

● 其他—剝離強度，絕緣電阻，Tg，阻燃，吸水性……

2.4 介電常數Dk

（1）定義：某電介質電容器的電容與同樣構造的電容器在真空狀態下電容之比。

（2）覆銅板的介電常數

● 覆銅板基板由樹脂，增強材料（布、纖維、紙），填充劑組成，構成電的絕緣體，稱為電介質。基材實際上就是整塊印製板中的一個電容器。

● Dk大，表示存儲電能大，電路中信號傳播速度就會變低。

● Dk小，電信號傳播速度就快。

● 通常，印製板上的電流信號的電流方向，是正電、負電相互交替變化的，這樣頻率化的交換，相當於 “充電—放電—充電” 的過程。在互換中，只要有少量電容存留，就會影響傳輸速度。

● 在高頻線路中，信號傳播速度公式：

V—信號傳播速度

K—常數

C—光速，3×108m/s

Dk—基板介電常數

● 降低Dk，有利於提高信號的傳播速度。Dk越大，傳輸速度就會越低。Dk越小，傳輸速度越快。

● 因此，利用PCB的低介電常數，來達到信號傳播的高速度。

這就是為什麼高頻微波印製板要求低介電常數的原因。

（3）低Dk基材

● PTFE（聚四氟乙烯），俗稱Teflon。

分子結構：             。分子結構是對稱的，因而具有優良的物理、化學、電氣性能。相對密度2.14~2.20。熔點327℃，吸水性（24小時）＜0.01%。

● “塑膠王”：耐許多強腐蝕性物質，至今尚無一種能在300 ℃ 以下溶解它的溶劑。

● PTFE，Dk=2.1，很低。

聚四氟乙烯玻纖布覆銅板，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印製板的信號傳播速度快40%以上。

● PTFE缺點

剛性差，銑外形毛刺多，PTH困難，成本高，加工困難。

● 除FTFE外，其他Dk低的基材

基材的Dk低，需選用低Dk樹脂，玻纖，填料。

聚丙醚Dk2.5，氰酸酯2.9，聚丁二烯3.0，環氧樹脂3.9，電子級玻纖Dk6.6，新型NE玻纖布4.4。

低Dk樹脂+低玻纖布組合加工而成的低Dk覆銅板有以下幾類：

PI—聚醯亞胺環纖布覆銅板，Dk3.8；PPO—聚苯醚玻纖布覆銅板，Dk3.5；

CE—氰酸酯玻纖布覆銅板，Dk4.0；BT—雙馬來醯亞胺改性三嗪Dk4.1~4.3。

● 最低Dk的基材

Dk=1.15~1.35（不含PTFE）

介質損耗Df=0.002-0.005，比重0.35g/cc，吸水率＜0.5%。

峰房式結構。輕型，不耐熱。作高頻微波金屬天線（美國Arlon公司產品）。

2.5 介質損耗因素（Df）

（1）定義：

● 電介質材料在交變電場作用下，由於發熱而消耗的能量稱為介質損耗。

通常以Df或tanδ表示。也稱介質損耗角正切。

（2）Dk和Df成正比例。

● Dk小，Df也小，即能量損耗也小。

● PTFE的Df=0.002，比FR4的Df=0.02低了10倍。

PTFE基材的Dk，Df都小，且穩定，幾乎沒有變化。

PTFE具有優秀的耐潮濕性，吸水率非常小。

PTFE絕緣性能很高，1014~1015歐姆。

（3）其他高頻微波板材Df

● PI（聚胺亞胺）0.008；

● PPO（聚苯醚，PPE）0.003；

● CE（氰酸酯）0.006~0.008；

● BT（雙馬來醯亞胺改性三嗪）0.004~0.008。

2.6 其他性能

● 基材結構—玻纖，纖維；樹脂—環氧，PI，PPO；填料—陶瓷，雲母……。（對加工工藝有影響）

● CTE（熱膨脹係數）

Dk 2.1~2.7，X-Y方向的CTE是小的，一般9-35；Z軸方向大，150-300PPm/℃（CTE對印製板可靠性有影響）。

● 其他—剝離強度，絕緣電阻，吸水性，阻燃性，Tg，耐熱性（對加工過程，產品使用有影響）。

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

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

● 基材銅厚，板厚。

銅箔—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，考慮價格性能比，用簿板，≤0.8，0.5，0.3mm常用（高頻微波基材比FR4貴幾倍，十幾倍）。

板厚通常不含銅厚。

2.7 Dk=1.15~10.2的各種板材

● 供應商：美國

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

● Dk1.15~10.5，全球有100~200個品種。（見另外的附表）

● 日本：三菱瓦斯，松下，住友，日立化成，Chukok等。

● 國產：泰州高頻覆銅箔板材廠，西安704所等。

● 影響高頻微波板關鍵性性參數是Dk和Df，通常Dk最低值2.17，Df0.001。

● Dk低的板材，通常是PTFE+玻纖。

● Dk3.2-3.8，不含PTFE，其結構是聚酯，聚醯亞胺，聚丙醚，玻纖，陶瓷。加工性能類似於FR4。

● 高頻微波多層板，應選擇相匹配的半固化片（PP）。Dk2.3~3.5常用。

● Dk在不同頻率下測試會有些變化，但變化量不大。

例如：頻率從500MHz變化到10GHz，PTFE的Dk變化為0.5%，而FR4變化為7%。

2.8 高頻微波印製板基本要求：

（1）Dk，介質層厚度，銅厚符合圖紙要求。

（2）線寬/間距公差要求嚴格。

● IPC-6018，±10%。

● 實際上，很多客戶要求， ±0.02mm， ±0.015mm。

特性阻抗公式：

Dk—介電常數，H—介質厚度（不含銅厚）

W—線寬，T—導線厚。

上述4個因素，影響最大的是H（介質厚度），其次是Dk，W，最小的是T。選定基材後，Dk，H變化小，T（導線厚）較易控制，W（線寬）控制成為工程設計定型後生產PCB的難點之一。

線寬控制±0.02mm是關鍵。

（3）導線劃傷，凹坑，缺口，針孔，不允許。

阻焊厚度會影響高頻信號傳輸。

孔內銅厚也會對信號傳輸有影響。

（4）對PTFE，熱衝擊228℃，10秒，1-3次，PTH孔不發生孔壁分離。

2.9 PTFE印製板生產工藝技術

2.9.1 PTFE印製板加工難點

（1）鑽孔

● 基材柔軟，疊板數不能多。

● 轉速要慢些。

● 基材磨損鑽頭利害。

● 鑽頭頂角、螺紋角有其特殊要求。

（2）印阻焊

● 絲印前不能用刷輥磨板（氟樹脂的影響，附差力）。

（鈍化，水洗，吹幹；化學法處理）

（3）HAL（熱風整平）

● 預熱

● 無鉛HAL，錫缸溫度265℃（避免板材急速加熱，影響到導線，焊盤脫落或翹起）。

（4）銑外形

選合適的銑刀和參數（否則，毛刺多）。

（5）工序轉運

防劃傷、針孔、壓痕、缺口。

特製裝載轉序工具。

（6）蝕刻

嚴格控制線寬。百倍鏡檢查。

（工程設計，蝕刻參數，管理……）

（7）PTH—難點之一，關鍵步驟之一。

● 傳統的PTH工藝行不通。PTFE基材孔內不潤濕。

● 方法一：金屬鈉，萘，四氫呋喃液—化學法。

形成萘鈉絡合物，浸蝕孔內PTFE表層分子，達到潤濕孔的目的。

優點：效果良好，品質穩定，適宜量產。一次性投入成本不高。

缺點：毒性大，鈉易燃，危險。需強烈抽風，專門房間，專人管理。

● 方法二：等離子體法（Plasma）。

在二個高壓電極之間注入CF4，氬氣，氮氣，氧氣。PCB放在二個電極之間，腔體內形成等離子體狀態，從而把孔內鑽汙、髒物除掉。

優點：效果佳，質穩定，適宜批量生產，工藝簡單，易控制，毒性小，乾淨。

缺點：設備價貴。

2.9.2 雙面PTFE印製板的製造

（1）工藝流程

工程設計→下料→鑽孔→孔處理→PTH →全板鍍→光成象→QC→圖形鍍→蝕刻→防氧化處理→QC→阻焊/字元→HAL（或沉Ni/An，Ag，Osp）→外形加工→FQA→包裝出貨。

（2）控制要點—化學沉銅前

● 板材存放平放：下料時，不必烘板。

● 鑽孔：參數同FR4不一樣，用新鑽頭。2拼板/疊（0.8~1.6mm板厚）。

鑽頭形狀：頂角120℃，螺紋角27 ℃。

● 鑽孔後，輕度刷板，高壓水洗。磨痕寬度8-10微米。

● 孔處理：

A、化學法：

● 萘納處理槽→溶劑處理槽→熱水洗（2次） →烘乾→PTH。

● 萘鈉槽：不銹鋼槽，蓋密封，充氮氣（使空氣與藥液表面形成介面，隔絕水 份，空氣進入）

● 槽架：不銹鋼。

● 鈉金屬：盛裝於煤油中，切成小塊投入槽中溶解，不銹鋼棒攪拌。嚴禁水帶入（否則會燃燒爆炸）。室溫下，浸泡幾分鐘。

● 房間：強抽風，地板乾燥，不存放酸、堿或無關物品，外人不許進入，板子處理後吹幹。操作人員經特殊培訓。

● 溶劑處理槽：無色透明溶劑，低沸點，易燃。室溫下浸泡幾分鐘。塑膠槽。目的是去除殘餘的萘鈉溶液。

●熱水洗：55℃，浸泡2-3分鐘，轉入自來水洗。

● 板子要吹幹。

● 板子經處理後進入PTH生產線，不必進入除鑽汙槽，從降油槽開始，正常的PTH工藝。

B、Plasma法：

● 等離子體是物質存在的另外一種表現形式，是物質存在的第4種形態（固、液、氣三態）。

● 等離子體在許多方面類似氣體，但在某些方面卻存在重要區別。

● 等離子體由帶正電荷、負電荷離子以及游離基團和紫外線輻射粒子所組成，就是說，等離子體是離子化的氣體，是一種能量提升狀態的氣體。

● 等離子體的活性很強，正是利用這個特性，驅使它和環氧或聚四氟乙烯鑽汙起化學反應而消除之。在PCB生產工藝中，去鑽汙使用高錳酸鉀法，濃硫酸法等，這些方面對FR4基材的多層板有效，但對PTFE基材不起作用。

等離子體對PTFE基材鑽汙可以起到化學反應。

● 很顯然，等離子體及其活性是極不穩定的，需要高頻電磁場能量。當某種條件中止或消失時，等離子體組成中的各種粒子會瞬間互相選擇地結合起來，等離子體退化為原始的氣體態，活性消失，等離子體也就不再存在。

● 等離子體的生成條件。

1）一個容器腔體形成真空狀態。

2）以高頻發生器向腔體內的正負電極施加高頻電磁場。

3）在腔體內，注入所需的氣體。氣體在正、負電極間被電離，形成等離   子體。

4）當不存在抽真實狀態，高頻電磁場消失，等離子體即成為原始氣體狀態。

● 等離子體去除鑽汙

在抽真空的腔體內（抽真空幾十至100m Torr [托] ）

在二個正負電極中加高頻電磁場，注入氣體（CF4，N2，Oz，Hz），從而形成等離子體。

放在二塊電極之間的印製板孔內表面上的PTFE鑽汙、髒物等固體與等離子體接觸起化學反應，生成新的氣體化合物被真空泵帶走，從而使PTFE印製

板孔內的氟樹脂由非極性變成極性。

● 清洗孔的二個步驟：

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

15分鐘。

第二步：除孔內鑽汙。氣體：N2（80%）H2（20%），75 ℃， 20分鐘。

一步法：混合氣體O2/CF4/N2（80/10/10），30分鐘，效果不錯。有人用二種混合氣體H2/N2（70%/30%）作處理R03000板材（Dk=3.0）。

使用不同氣體和比例會獲得不同效果。對不同高頻微波板材，處理用的氣體及參數也有所不同，要通過實踐摸索本企業的使用氣體和相關參數。

● 等離子體系統（設備）組成：

五個部分：腔體（方形、園形），真空泵，高頻發生器，控制器，混合氣體源。（設備系統包含不同的技術專利）。

● 板子經Plasma處理後應馬上進行化學沉銅，不應停留超過24小時。

C、孔的前處理的其他方法：

除了萘鈉化學法，Plasma法作孔的前處理外，還有其他的方法：（文獻收集）

1）複合型PTFE板，浸泡新型玻璃蝕刻液。

● 成份：氟化氫銨20%，硫酸10%，30-40℃，1-1.5分鐘。

● 過程：板子除油，清洗，微蝕，清洗，浸泡本溶液，清洗，板子進入預浸、            活化、還原、PTH、清洗、板面鍍銅、轉入光成象。

2）二步法：

第一步：氟化氫銨（10-20%），10%硫酸混合液，40℃，2分鐘。

第二步：氫氧化鈉（5~10%），硫酸亞錫（20%）混合液處理。1分鐘，   水洗，然後PTH。

3）在制板，浸泡四氫呋喃（100%）液，3-5分鐘，水洗，酸洗，化學沉銅，極面電鍍，光成象。

4）在制板，在沉銅缸前的各處理槽連續走二次（包括活化槽），再作沉銅。

● 以上幾種處理方法，來自文獻報導，僅供參考。

經典方法是鈉萘化法，Plasma法。

● 考核PTFE成品板方法：

熱風整平（250-265℃），3秒/次，3次；熱衝擊（288℃，10秒）。

作微切片，觀察金屬化孔：孔壁無剝離，鍍層和拐角無裂紋，無空洞，焊盤不起翹，孔內銅厚≥20微米。

（3）控制要點——沉銅、光成象、圖鍍、蝕刻、阻焊、外形加工。

● 背光檢測，全板鍍銅後。

● 全板鍍，圖形鍍銅，低電流密度，長週期參數生產。控制孔內銅和表面銅厚均勻性。（線路銅厚不均勻，影響蝕刻，影響線寬公差±0.02mm控制）。

● 蝕刻後必查線寬/間距。（注意底片線寬工藝補償值——經驗數據總結）。

● 蝕刻後防氧化處理，苯駢三氮唑液，使銅表面形成一層無色保護膜。

● 阻焊：不許機械磨板，否則會破壞PTFE基材，影響阻焊與基材間附差差力。只能化學清洗。

有的PTFE板，阻焊劑僅印線上路上，覆蓋線邊緣0.25mm，基材上不讓印阻 焊。否則影響信號傳輸。

PTFE板軟，烘板要作特殊插架，防板翹曲，防沾汙板面。