第4章
微波与光波融合的新一代微电子装备用印制电路板

4.1　微波微电子装备用印制电路板

4.1.1　概述

1. 微波印制电路板的定义与类型

（1）定义

微波印制电路板是指在特定的微波基材覆铜板上，利用普通刚性印制电路板的制造方法加工制成的印制电路板，简称为MWPCB。

（2）分类

MWPCB分类如下。

① 单面、双面、多层：与常用印制电路板一样，也分为单面、双面、多层MWPCB。

② 混合型多层MWPCB：采用高频基材与通用的FR-4基材混合压制成的MWPCB。

③ 高频金属基MWPCB：采用高频微波基材与金属基混合压制成的MWPCB。

2. MWPCB的主要应用及其特性要求

（1）MWPCB的主要应用

MWPCB是现代微电子装备中电子电路的安装平台，其主要作用是传输高速信号，根据其传输的高速信号的属性，其应用可分为以下两大类。

① 高频信号传输：与电磁波有关，以正弦波传输信号，如雷达、广播电视和通信（诸如移动电话、微波通信和光纤通信等）；

② 高速逻辑信号传输：以前主要是在计算机产品中应用，目前在家电和通信类电子产品中也开始大量应用。

（2）对MWPCB的特性要求

① 为了实现高速传送，对MWPCB所用材料的电气特性有明确的要求。要实现传输信号的低损耗和低延迟，必须选用介电常数及介质损耗角正切值小的基板材料，一般有陶瓷材料、玻纤布、聚四氟乙烯和其他热固性树脂等。

② 在所有的树脂中，聚四氟乙烯的介电常数（Dk）和介质损耗角正切（tanδ）值最小，而且耐高、低温性和耐老化性能均好，最适合作为微波基板材料。

③ 目前用量最大的两种微波多层印制电路板如下：

• 陶瓷粉填充、玻璃短纤维增强的聚四氟乙烯（PTFE）高频介质材料，如RT/Duroid 6002板材；

• 陶瓷粉填充的热固性树脂覆铜箔板，如RO4350板材。

4.1.2　MWPCB在设计中应关注的问题

1. 基材的介电常数

在选择基材时，首先要关心基材的工作频率是否满足设计需要，要根据实际产品的工作频率及带宽进行选择。另外，介电常数影响传输线或配线的线宽，介电常数（Dk）越小，传输线越宽。在使用不同介电常数的材料时，需要对线宽重新计算或仿真。

2. 基材的介质损耗因素

在忽略其他因素影响的情况下，损耗因素（Df）越小，信号在传输过程中损耗就越小。当系统增益富余量较小时，就应选择损耗因素（Df）小的基材，以降低基材介质的传输损耗。

3. 热稳定性

温度变化会引起介电常数（Dk）的变化，根据具体型号基材的热稳定性，可预估基材在某一温度下的介电常数（Dk），从而判断其是否在可接受的范围内。热稳定性的绝对值越低，介电常数（Dk）在工作温度范围就越稳定。

4. 热膨胀系数

温度变化必然会引起基材物理尺寸的变化，对PCB来说，常温下铜层（包括通孔）与基材压合，随着温度变化，铜层与基材会以不同的热膨胀系数（CTE）变化，由于膨胀系数不一致，必然会引起温度应力。当温度应力超过铜层与基材或铜层与基材的黏结的承受能力时，PCB将被损坏。Z轴方向的温度应力可能导致金属化通孔断裂；X/Y轴方向的反复应力，可能导致铜层撕裂或铜层与基材的黏结松动。在进行板材加工时，因蚀刻收缩时的CTE不同，会引起加工后基材尺寸的变化。

5. 吸水率

吸水率表示物体在正常大气压下吸收水分的能力，吸水率越高，基材中含水的比例就越高，对基板介质的特性影响就越大。在高湿度环境下工作，选择吸水率低的基材更合适。

6. 其他

在选择基材时，除了要关注上述的主要指标，还要根据实际应用环境考虑基材的其他性能指标，比如铜层抗剥离强度、温漂、批次稳定性、热导率、阻燃等级、耐无铅化工艺和成本等。只有充分了解实际应用的环境和各基本参数表示的含义，才能选择最合适的基材。

4.1.3　MWPCB的结构工艺性分析

1. MWPCB基板材料的选择

MWPCB的整体特性、加工性能和可靠性，在很大程度上取决于所选用的基板材料的特性。对MWPCB而言，所选用的基材与常用的FR-4是完全不同的。为了在MWPCB上实现信号传输的高速率、低耗损和低延迟，在选用MWPCB基板材料时，必须关注基材所具备的下述电气特性要求。

① 影响MWPCB的关键参数：介电常数（Dk）和介质损耗因素（Df）。

② 介电常数低的基材：其结构一定要由聚四氟乙烯（树脂）和玻璃纤维（增强材料）所构成。

③ 利用聚四氟乙烯的Dk和tanδ值在树脂中最小的特性，通过调节玻璃纤维和陶瓷粉等填料与聚四氟乙烯的比例，制成系列化的微波板材。

④ 由于聚四氟乙烯刚性差、钻／铣加工毛刺多、孔金属化难度大、成本高，目前各微波板材厂商开发出了Dk为4.2～4.8的不含聚四氟乙烯树脂的板材，其选用的替代树脂多为聚酰亚胺（PI）、聚苯醚（PPE）和双马来酰亚胺改性三嗪（BT）等。

⑤ 根据产品性能要求的不同，在设计和制造多层板时，必须选用相匹配的半固化片。

⑥ 微波板材的介电常数（Dk）在不同频率下测试时会有些变化，但变化量应不大。

2. MWPCB的制造特点

（1）基材多样化

进入20世纪90年代后，美国Rogers公司生产的RT/Duroid系列和TMM系列微波基材逐步得到应用，主要有：

① 玻璃纤维增强聚四氟乙烯覆铜板。

② 陶瓷粉填充聚四氟乙烯覆铜板。

③ 陶瓷粉填充热固性树脂覆铜板。

上述材料虽然价格昂贵，但它优异的介电性能和机械性能，仍较国产MWPCB基板拥有较大优势。目前这类微波基材，特别是带铝衬底的基材，正被大量应用。

（2）设计和制造均要求高精度化

MWPCB的图形制造精度将被逐步提高，但受印制电路板制造工艺方法本身的限制，这种精度提高不可能是无限制的，到一定限度后会进入稳定阶段。但MWPCB的设计内容将大大地丰富，从种类上看，将不仅有单面MWPCB和双面MWPCB，还会有微波多层MWPCB。对MWPCB的接地会提出更高的要求，如解决聚四氟乙烯基板的孔金属化问题，解决带铝衬底MWPCB的接地问题；镀覆要求进一步多样化，将特别强调铝衬底的保护及镀覆。另外，对MWPCB的整体三防保护也将提出更高要求，特别是对聚四氟乙烯基板的三防保护问题。

（3）计算机控制化

传统的印制电路板生产中极少应用到计算机技术，然而，随着CAD（Computer Aided Design，计算机辅助设计）技术在设计中的广泛应用，为了满足MWPCB的高精度、大批量需求，在制造中大量应用计算机技术已成为必然选择。高精度MWPCB模板的设计制造、外形数控加工，以及高精度MWPCB的批量生产检验，已经离不开计算机技术。因此，需将MWPCB的CAD与CAM（Computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造）和CAT（Computer Aided Testing，计算机辅助测试）结合起来，通过CAD完成数据处理和工艺干预，生成相应的数控加工文件和数控测试文件，用于MWPCB生产的工序控制、工序检验和成品验收。

（4）高精度图形制造专业化

与传统的刚性印制电路板相比，MWPCB高精度图形制造更为专业化，其技术内容包括高精度模板制造、高精度图形转移、高精度图形蚀刻等相关工序的生产及过程控制技术，还包含合理的制造工艺路线安排。针对不同的设计要求，如孔金属化与否和表面镀覆种类等，制订合理的制造工艺方法，经过大量的工艺实验，优化各相关工序的工艺参数，并确定各工序的工艺余量。

（5）表面镀覆多样化

随着MWPCB应用范围的扩大，其使用的环境条件也复杂化，同时由于大量应用铝衬底基材，因而对MWPCB的表面镀覆及保护，在原有化学沉银及镀锡铈合金的基础上，提出了更高的要求，如下所述。

① 微带图形表面的镀覆与防护：需满足微波元器件的焊接要求，采用电镀镍金工艺技术，保证在恶劣环境下微带图形不被损坏。除微带图形表面的可焊性镀层外，既可起到有效防护的作用又不影响微波性能的三防保护技术问题是最应解决的问题。

② 铝衬板的防护与镀覆技术：铝衬板如不加防护，暴露在潮湿、盐雾环境中很快就会被腐蚀，因而随着铝衬板被大量应用，其防护技术应引起足够重视。

③ 铝板的电镀技术研究：在铝衬板表面电镀银和锡等金属，以用于微波元器件焊接或其他特殊用途的需求在逐步增多，这不仅涉及铝板的电镀技术，同时也还存在微带图形的保护问题。

（6）外形加工数控化

MWPCB的外形加工，特别是带铝衬板的MWPCB的三维外形加工，是MWPCB批量生产需要重点解决的技术问题，其内容如下：

① 面对成千上万件的带铝衬板的MWPCB，用传统的外形加工方法既不能保证制造精度和一致性，更无法保证生产周期，必须采用先进的计算机控制的数控加工技术。

② 带铝衬板MWPCB的外形加工技术既不同于金属材料加工，也不同于非金属材料加工。由于金属材料和非金属材料共同存在，它的加工刀具、加工参数，以及加工机床都具有极大的特殊性，因此有大量的技术问题需要解决。

③ 外形加工工序是MWPCB制造过程中周期最长的一道工序，外形加工技术解决方案的好坏，直接关系整个MWPCB的加工周期长短，并影响产品的研制或生产周期。

（7）批量生产检验设备化

MWPCB与普通的单双面PCB和多层PCB不同，不仅起到结构件和连接件的作用，更重要的是作为信号传输线使用。这就是说，对于高频信号和高速数字信号的传输，对MWPCB的电气测试，不仅要测量线路（或网络）的“通”“断”“短路”等是否符合要求，而且还应测量其特性阻抗值是否在规定的合格范围内。

此外，高精度MWPCB有大量的数据需要检验，如图形精度、位置精度、重合精度、镀覆层厚度和外形三维尺寸精度等。目前，国内的MWPCB批量生产检验技术较为落后，现行方法基本是以人工目视检验为主，辅以一些简单的测量工具。这种原始而简单的检验方法很难应对大量MWPCB批量生产的要求，不仅检验周期长，而且错检漏检现象多，因而迫使MWPCB制造向着批量生产检验设备化的方向发展。

4.1.4　对MWPCB基材的要求

1. 介电常数（又称电容率）

介电常数（Dk），又称电容率（εr），表示某电容器（两板之间）在有电介质时与在真空状态（无电介质）下的电容增长的倍数。真空中的电容率最小（8.86×10－4），空气的电容率为1。电容率表示某种材料存储电能能力的大小，常用εr符号表示，国外常用Dk表示。

在高频电器中，电磁感应、容抗、涡流和介质损耗问题较为突出，此外，由于频率高，发热量大，故要求电介质的击穿电压要高，介质损耗要小，介电常数要小且稳定。

与普通覆铜板一样，微波用的覆铜板也是由树脂、增强材料和填充剂等所组成的电介质。覆铜基板实际上就是整块印制电路板中的一个电容器，如图4.1所示，该图展示了介电常数对电压分布的影响。

当介电常数（Dk）大时，表示其存储电能大，电路中电信号的传播速度慢；反之，当介电常数（Dk）小时，电路中电信号的传播速度快。

在高频印制电路板线路中，信号的传播速度与介电常数之间存在下列函数关系：

式中，v是信号传播速度（m/s）；k是常数；c是光速（3×108 m/s）；εr(Dk)是基板的介电常数。

2. 介质损耗因素

介质损耗因素（Df）又称介质损耗角正切（tanδ）值，介质损耗是指电介质在外施电压下发热所消耗的电能。这一损耗是由于其中存在水分或其他杂质（如酸、碱和盐等）而造成的。介质损耗角（δ）是电流和电压间的相位角（φ）的余角（90o−φ）。在高频电路中，要求其数值不大于千分之几、甚至万分之几。Dk和Df呈正函数关系，介电常数（Dk）小，介质损耗因素Df也小，对应的能量损耗也小。

3. MWPCB选材

如上所述，MWPCB基材的选用首先应该考虑其介电性能，但同时也必须考虑其表面铜箔种类及厚度、环境适应性、可加工性等因素，当然还有成本问题。

（1）铜箔种类及厚度选择

目前，常用的铜箔厚度有35 μm和18 μm两种。由于铜箔越薄，越易获得高的图形精密度，所以高精密度的微波图形应选用厚度不大于18 μm的铜箔。如果选用35 μm的铜箔，则过高的图形精度要求使工艺性变差，不合格品率必然增加。研究表明，铜箔类型对图形精度也有影响，目前，铜箔类型有压延铜箔和电解铜箔两类，由于压延铜箔的表面粗糙度（RMS）比电解铜箔小，故更适合于制造高精密度的图形，已被普遍用作射频／微波前端电路的微带线上的铜箔，其结构如图4.2所示。

射频／微波前端电路微带线是目前混合微波集成电路（HMIC）和单片微波集成电路（MMIC）中使用最多的一种平面传输线，它可采用光刻工艺制作，并且容易与其他无源微波电路和有源微波器件连接，实现微波电子系统的小型化和集成化。

毫米波电路的损耗包括介质损耗、导体损耗和辐射损耗。介质损耗取决于材料本身的介电系数εr(Dk)，辐射损耗与设计相关，导体损耗与铜箔表面粗糙度以及导体与介质间的黏合度有关，这是因为趋肤效应的影响所致。频率和趋肤深度与铜箔类型的关系如表4.1所示，该表列出了频率从0.01～80 GHz的趋肤深度及不同铜箔类型的均方根值。随着频率的增加，趋肤深度导致大部分的射频电流或射频信号流经铜箔较粗糙的部分，导致射频电流路径的增加，从而导致整个插入损耗的增加。铜箔粗糙度（RMS）对插入损耗的影响如图4.3所示。

选择不同粗糙度的铜箔（压延铜与电解铜），对插入损耗的影响也是不同的。其中压延铜箔非常光滑，其粗糙度（RMS）约为0.3 μm，而电解铜箔较为粗糙，其粗糙度（RMS）约为1.8 μm。使用压延铜的插入损耗远远小于使用电解铜的插入损耗，在40 GHz以上时，两者的差异越明显，如表4.1所示。

在毫米波频段，导体损耗占总体损耗的比重会大幅上升，虽然制造低粗糙度铜箔在技术上难度不大，但随之而来的难题是，太光滑的铜箔与介质层的结合力会变小，从而导致铜箔与介质层剥离。美国罗杰斯公司生产的LoPro系列的低粗糙度铜箔板芯，据说是采用某种药水制造的。

（2）环境适应性选择

对于现有的微波基材，在标准要求的−55～+125℃环境温度范围内，还应考虑以下几点。

① 孔金属化与否对基材选择的影响：对于要求通孔金属化的MWPCB，基材Z轴热膨胀系数越大，意味着在高低温冲击下，金属化孔断裂的可能性越大，因而在满足介电性能的前提下，应尽可能选择Z轴热膨胀系数小的基材。

② 湿度对基材板选择的影响：基材树脂本身吸水性很小，但加入增强材料后，其整体的吸水性增大，在高湿环境下使用时会对介电性能产生影响，因而在选材时应选择吸水性小的基材（如吸水率≤0.02%），或在结构工艺上采取措施进行保护。

③ εr (Dk)和Df的热稳定性：高频、高速板材的性能要求差别其实很模糊。罗杰斯公司和松下公司分别是高频和高速板材领域的巨头，最近松下公司在将自己的高速板材向很多5G天线射频供应商推广，其旗舰产品M7N具有Df=0.002@60GHz的良好性能。

（3）可加工性选择

随着设计要求的不断提升，一些MWPCB基材带有铝衬板。铝衬基材的出现给制造加工带来了额外的压力，使图形制作过程和外形加工复杂化，生产周期变长。因而，在可用可不用的情况下，尽量不采用带铝衬板的基材。罗杰斯公司的TMM系列MWPCB基材由陶瓷粉填充的热固性树脂构成，其中，TMM10基材中填充的陶瓷粉较多，性能较脆，给图形制造和外形加工过程带来很大难度，容易缺损或形成内在裂纹，成品率相对较低。目前，对TMM10板材外形加工采用激光切割的方法，成本高，效率低，生产周期长。因此，在可能的情况下，可考虑优先选择罗杰斯公司符合相应介电性能要求的RT/Duroid系列基材板。

（4）结构设计

由于MWPCB的外形越来越复杂，而且尺寸精度要求高，同品种的生产数量很大，必须要应用数控铣加工技术，因而在进行微波板设计时，应充分考虑数控加工的特点，将所有加工处的内角都应设计成为圆角，以便于一次加工成形。

微波板的结构设计也不应追求过高的精度，由于非金属材料尺寸变形倾向大，不应以金属零件的加工精度来要求MWPCB。外形的高精度要求在很大程度上可能是因为顾及当微带线与外形相接时，外形偏差会影响微带线长度，从而影响微波性能。实际上，国外相关规范中规定，在设计微带线时端距板边应保留0.2 mm的空隙，即可避免外形加工偏差的影响。

（5）各种微波板材市场现状

微波覆铜箔基板材料国外供应商生产的品种繁多，主要供应商有Rogers、Arlon、Taconic、Metclad、GIL、Polyfon和Isola等公司，上述厂家在深圳和上海等地均设有办事机构，有的已在我国建厂生产。日本的微波覆铜板品种有很多，主要生产厂商有松下电工、住友电工和日立化成等。目前，聚酰亚胺（PI）、聚苯醚（PPE）和双马来酰亚胺改性三嗪（BT）等树脂基板材料均已系列化和商品化，Dk从2.17～4.50，板厚从0.25～1.57 mm的微波覆铜箔基板韩国SMART R&C公司均可批量生产。国内厂商有西安704厂研究所和江苏泰州旺灵绝缘材料厂等。

① 聚四氟乙烯（Poly Tetra Fluoro Ethylene，PTFE）：在所有的树脂电介质中，以聚四氟乙烯的介电常数（Dk）、介质损耗角正切（tanδ）值为最小，而且耐高、低温性和耐老化性能好，是目前用量最大的MWPCB基板材料。PTFE树脂Dk=2.4，其分子结构是对称的，因而具有优秀的物理、化学和电气性能。PTFE具有耐强腐蚀性的特性，至今尚无一种能在300℃以下溶解它的溶剂，因而有“塑料王”之称，其相对密度为2.14～2.20，熔点为417℃，24小时吸水性<0.01%，绝缘性能好，体积电阻高达1018 Ω。

② Foam Clad R/F TM 100：是美国Arlon公司于2003年推出的蜂房式结构低介电常数的轻型覆铜板基板材料的最新型号。据称，其Dk为1.15～1.35，Df为0.002～0.005，密度为0.35 g/cm3，吸水率<0.5%，热膨胀系数（CTE）在X、Y轴方向为25 ppm/℃，在Z轴方向为7.5%（50～100℃）。该材料是目前Dk最小的一种高频微波基板材料，有望替代大多数的高频微波印制天线。美中不足的是该材料只能在低于100℃的环境中使用，用其制成的PCB不可涂覆阻焊膜，不可焊接。

③ 罗杰斯公司的碳氢化合物陶瓷微波基板材料（RO4003C）：RO4003C是罗杰斯公司推出的一款兼具PTFE材料的电气性能和环氧树脂材料的可加工性、拥有专利的玻璃织布增强碳氢树脂体系／陶瓷填料材料，其电性能非常接近于PTFE／编织玻璃布材料，该材料具有玻璃布1080和1674结构两种不同类型，两种结构都要满足相同的层压板电气性能规格，其可加工性类似于环氧树脂／玻璃布材料。

RO4003C采用标准的环氧树脂／玻璃布的加工工艺，提供严格控制的介电常数和损耗，而其价格却是传统微波材料的几分之一，甚至不需要像基于PTFE的微波材料那样进行特殊的镀通孔前处理或者操作程序。RO4003C没有进行溴化处理，因此没有通过UL 94V-0的认证。如果任何应用或设计有UL 94V-0防火等级要求，RO4835和RO4350B等碳氢化合物陶瓷均可以满足要求。RO4003C碳氢化合物陶瓷微波电路板材的主要参数如表4.2所示。

RO4003C是RO4000系列中介质损耗非常小、性能最稳定的一款产品，其优点归纳如下：

• 成本和射频／微波性能最优化；

• 能兼容FR-4的加工工艺，包括PCB多层板结构；

• 更好的导热性，因此相对于传统的PTFE材料，热处理能力会更好；

• 能够兼容无铅焊接工艺；

• 小的Z轴方向热膨胀系数提高了镀通孔的可靠性。

RO4003C的典型应用例：在多通道24 GHz车流量监测雷达系统中，R04003C被应用于实现多发多收的4组以上的定位数据系统中。多通道24 GHz车流量监测雷达方案框图如图4.4所示。

4.1.5　MWPCB制造工艺简介

1. MWPCB制造工艺概述

MWPCB的制造由于受MWPCB制造层数、MWPCB原材料特性、金属化孔制造需求、最终表面涂覆方式、线路设计特点、制造线路精度要求、制造设备及药水先进性等诸方面因素的制约，其制造工艺流程将根据具体要求进行相应调整。例如，图形电镀镍金工艺流程被细分为图形电镀镍金的阳版工艺流程和图形电镀镍金的阴版工艺流程。因此，针对不同MWPCB种类及加工需求，所采用的制造工艺流程也各不相同。例如，当线路图形互连时，可选用图形电镀镍金的阳版工艺流程；当为提高MWPCB的制造合格率时，应尽量采用图形电镀镍金的阴版工艺流程，因为，此时若采用图形电镀镍金的阳版工艺流程，如果操作控制不当，将会出现渗镀镍金的质量问题。

2. MWPCB镀层工艺的选择

① 无金属化孔的双面MWPCB。

• 图形表面为沉银／镀锡铈合金；

• 图形表面为电镀镍金（阳版工艺）；

• 图形表面为电镀镍金（阴版工艺）。

② 有金属化孔的双面MWPCB。

• 图形表面为沉银／镀锡铈合金；

• 图形表面为电镀镍金（阳版工艺）。

3. MWPCB在制造过程中应关注的问题

① 微波工作频率高，波长很短，导线宽度和导线间隔的微小变化均可能造成其特性阻抗发生变化。因此，在进行电路图形设计时，应从电气特性上计算好印制电路板图形制造的精度要求。例如，印制电路板导线宽度／间距的公差通常取±0.02 mm，当要求更高时该公差可选择为±0.015 mm。

② 与传统的FR-4印制电路板不一样，由于MWPCB线路是用于传播微波能量和高速电脉冲信号的，一般不允许在导线上出现凹坑、锯齿、缺口、针孔、划伤等缺陷，因为类似小缺陷都会影响信号的传输。

③ 当选用聚四氟乙烯（PTFE）作为基材时，孔金属化难度大，无论是双面电路板还是多层电路板，均要求进行热冲击实验，具体要求是：288℃，10 s，1～3次。基板介质层厚度和铜箔厚度等是制作高质量MWPCB的基础。

4. MWPCB最终成品的性能检测方法及标准

MWPCB最终成品性能检测方法及标准，如表4.3所示。