Особые требования к технологическим процессам при производстве высокочастотных печатных плат

Высокочастотные печатные платы, такие как те, что используют материалы, подобные TP1020, требуют набора специализированных производственных процессов для обеспечения оптимальной производительности в приложениях, работающих на частотах 10 ГГц и выше. В отличие от стандартных печатных плат на основе FR-4, эти высокопроизводительные подложки требуют тщательного контроля на каждом этапе производства для поддержания электрической целостности, стабильности размеров и свойств материала.
 

Обращение с материалами и подготовка
Уникальный состав высокочастотных материалов, таких как TP1020 — полифениленоксидная (PPO) смола, наполненная керамикой, без армирования стекловолокном — требует специализированных протоколов обработки. Перед ламинированием сырье необходимо хранить в контролируемой среде с уровнем влажности ниже 30% и температурой, поддерживаемой на уровне 23±2°C. Это предотвращает поглощение влаги (критично, учитывая максимальную скорость поглощения TP1020 0,01%), что может вызвать изменения диэлектрической проницаемости, превышающие ±0,2 при 10 ГГц.
 

Операции резки и обрезки требуют инструментов с алмазными наконечниками, а не стандартных твердосплавных лезвий. Отсутствие армирования стекловолокном в TP1020 делает материал склонным к сколам при воздействии чрезмерного механического напряжения, что потенциально может создавать микротрещины, ухудшающие целостность сигнала. Лазерная резка, хотя и дороже, предпочтительна для достижения допусков по размерам ±0,15 мм, требуемых для плат размером 31 мм x 31 мм, используемых в миниатюрных антеннах.
 

Ламинирование и обработка сердечника
Высокочастотные ламинаты требуют точных параметров ламинирования для поддержания диэлектрической однородности. Для TP1020 процесс ламинирования осуществляется при температуре 190±5°C с давлением 200±10 фунтов на квадратный дюйм, что значительно ниже, чем 300+ фунтов на квадратный дюйм, используемых для материалов, армированных стекловолокном. Это более низкое давление предотвращает смещение керамических частиц внутри матрицы PPO, обеспечивая поддержание целевой диэлектрической проницаемости 10,2 по всей поверхности платы.
 

Толщина сердечника TP1020 печатных плат 4,0 мм требует увеличенного времени выдержки во время ламинирования — обычно 90 минут по сравнению с 45 минутами для стандартных подложек. Этот контролируемый цикл нагрева обеспечивает полное течение смолы без образования внутренних пустот, которые будут действовать как точки отражения сигнала на высоких частотах. Охлаждение после ламинирования должно происходить со скоростью 2°C в минуту, чтобы минимизировать термическое напряжение, что критично для управления CTE TP1020 40 ppm/°C (ось X/Y).

Методы сверления и нанесения покрытий
Сверление высокочастотных печатных плат представляет собой уникальные проблемы из-за абразивного характера керамических наполнителей в таких материалах, как TP1020. Стандартные спиральные сверла изнашиваются преждевременно, что приводит к шероховатости стенок отверстий, превышающей 5μм — неприемлемо для высокочастотных путей прохождения сигнала. Вместо этого требуются сверла с алмазным покрытием и углом заточки 130° для достижения минимального размера отверстия 0,6 мм с шероховатостью стенок <2μм.
 

Процессы нанесения покрытий на переходные отверстия должны обеспечивать равномерную толщину меди 20μм по всему отверстию, с особым вниманием к переходу от ствола к площадке. Высокочастотные сигналы чувствительны к разрывам в этой области, поэтому для создания плавного, постепенного перехода, а не скачкообразных изменений, распространенных при стандартном гальваническом покрытии постоянным током, используются методы импульсного покрытия. Химический состав ванны для нанесения покрытий также оптимизирован для предотвращения образования дендритов меди, что может вызвать изменения импеданса, превышающие 2Ω в конструкциях с контролируемым импедансом 50Ω.
 

Травление и определение трассировки
Поддержание точной геометрии трассировки имеет решающее значение для высокочастотных печатных плат, где даже изменения ширины на 1 мил могут изменить характеристический импеданс на 5% и более. Для печатных плат TP1020 с требованиями к трассировке/промежутку 7/9 мил необходимы передовые методы фотолитографии. Это включает в себя использование фотошаблонов сверхвысокого разрешения (размер элемента 5μм) и печать в непосредственной близости для достижения углов боковых стенок 85±2° — круче, чем 75°, приемлемые для плат более низкой частоты.
 

Процессы травления используют распылительные системы с программируемыми профилями давления (30-40 фунтов на квадратный дюйм для TP1020) для предотвращения подтравливания. Химический состав травителя контролируется по температуре до ±0,5°C, обеспечивая постоянную скорость травления по всей поверхности платы. После травления проводится инспекция с использованием автоматизированных оптических систем с разрешением 1μм для проверки размеров трассировки, что критично для поддержания диэлектрической проницаемости 10,2±0,2 при проектировании с контролируемым импедансом.
 

Обработка поверхности и окончательная проверка
Высокочастотные печатные платы требуют обработки поверхности, которая минимизирует потери сигнала на интерфейсах разъемов. Для печатных плат TP1020 предпочтительно использование химического никелирования с иммерсионным золочением (ENIG) со строго контролируемой толщиной никеля (1-3μм) и толщиной золота (50-100 нм). Этот тонкий золотой слой обеспечивает отличную паяемость, избегая затухания сигнала, которое происходит при более толстых золотых покрытиях на частотах выше 10 ГГц.
 

Окончательная проверка включает в себя специализированное электрическое тестирование, выходящее за рамки стандартных проверок целостности. Рефлектометрия во временной области (TDR) проверяет однородность импеданса по всем путям прохождения сигнала, при этом допустимое отклонение ограничено ±2Ω. Тестирование сетевым анализатором на целевой частоте (10 ГГц для приложений TP1020) гарантирует, что потери при вставке остаются ниже 0,3 дБ/м, подтверждая, что производственные процессы сохранили присущий материалу низкий коэффициент рассеяния 0,0012.
 

Заключение
Производство высокочастотных печатных плат требует отхода от стандартных производственных практик, при этом каждый этап процесса оптимизирован для сохранения уникальных электрических свойств передовых материалов, таких как TP1020. От обработки материалов до окончательного тестирования эти специализированные процессы гарантируют, что теоретические преимущества высокочастотных ламинатов будут реализованы на практике — будь то в спутниковой связи, бортовых ракетных системах или миниатюрных антеннах, где целостность и надежность сигнала имеют решающее значение.