plasma在高频微波印制板中的运用，首先我们来了解高频微波印制板相关知识：

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。

低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公司产品）。

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。