一种微波陶瓷基板的制备方法与流程

本发明涉及陶瓷基板技术领域，更具体地说，涉及一种微波陶瓷基板的制备方法。

背景技术：

随着低介电常数性与低介质损耗因数的基材在pcb加工中应用趋于广泛，研究微波陶瓷基板工艺技术越来越重要，由于与普通pcb相比在基材和使用环境的不同，在工程制造中孔金属化、控制基材收缩、阻抗控制和表面涂覆等方面有着特殊的工艺技术。微波陶瓷基板应用于高频领域的电子基板-高频板是在特定的微波基材覆铜板上利用印制板制造方法生产出来的微波器件。它与普通的单双面板和多层板不同，不仅起着结构件、连接件的作用，更重要的还起着功能件的作用。

根据高频板材的特点，在工程制造各方面需重点关注孔化技术、收缩技术、阻抗控制技术和表面涂覆技术，均为目前业界最为头痛的难题，为此本发明人对以上难点进行技术攻关。

本发明旨在解决孔化技术、涨缩控制技术和表面涂覆技术，主要从以下三个方面进行研发，分别是微波陶瓷基板的孔化技术难点突破、微波陶瓷基板的涨缩控制技术难点突破和微波陶瓷基板表面涂覆技术难点突破。

技术实现要素：

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种微波陶瓷基板的制备方法，它可以实现在制备微波陶瓷基板的过程中，对微波陶瓷基板的孔化技术、涨缩控制技术和表面涂覆技术流程进行大幅优化，可大幅提升生产微波陶瓷基板的质量。

2.技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种微波陶瓷基板的制备方法，包括以下步骤：

a、孔化：

a1、等离子处理：通过等离子处理设备处理，改善聚四氟乙烯材料的浸润性，使得聚四氟乙烯材料的亲水性和润湿性变好；

a2、数控钻孔：钻头切削25.40cm-30.48cm介质层后，更换钻头进行加工，保证孔壁的钻孔质量；

a3、化学表面改性处理：对微波基材孔壁进行化学表面改性处理，打断c-f化学键，使微波基材孔壁具有一定的浸润性；

b、收缩控制：

b1、计算收缩补偿量：通过研究，得出x轴收缩率为0.15％，y轴收缩率为0.08％；

b2、四槽定位，模具冲切：在四槽定位系统中，采用模具冲切一次成形；

c、抗阻控制：

c1、计算线宽补偿量：18μm铜箔在进行数据处理时线宽加大0.02mm；

c2、丝印曝光：用平行光曝光机，显影后要检测线宽，应在设计线宽+0.01mm至设计线宽+0.03mm之间；

c3、刻蚀：使用酸性氯化铜蚀刻液，控制溶液的稳定性、蚀刻温度和腐蚀机所设置的传动速度，以控制侧蚀刻的均匀性；

d、表面涂覆：

d1、热风整平：将基材进行热风整平；

d2、有机可焊性保护剂：有机可焊性保护剂是一种薄的有机涂覆层，对高速信号传输的影响很小；

d3、化学沉镍浸金：在整个铜上催化而形成两层金属的涂覆层，顶层的金属将提供低的接触电阻、优良的储存寿命和好的润湿性；

d4、化学浸银：涂覆厚度为0.15μm-0.5μm的纯银；

d5、化学浸锡：在裸露的铜面上，形成一层平整的锡表面处理层，纯锡层保有最少0.2μm厚度；

d6、锡/铅再流化处理：对铜面上的锡/铅进行再流化处理；

d7、电镀镍金：采用类似于化学沉镍浸金的方法，镀上镍层；

d8、化学沉钯：利用化学方法将金属钯沉淀；

d9、电镀金：用电镀法在基板表面镀金。

本方案可以实现在制备微波陶瓷基板的过程中，对微波陶瓷基板的孔化技术、涨缩控制技术和表面涂覆技术流程进行大幅优化，可大幅提升生产微波陶瓷基板的质量。

进一步的，步骤a1中，所述等离子处理设备配置包括射频(rf)电源、真空泵、真空腔、气源(cf4、o2、n2、h2)和p2cim，等离子处理设备可提高含氟微带板的加工周期和可靠性，具有工艺成本低、可操作性强、维护及保养费用低和符合环保等特点，使用等离子处理后，微波陶瓷基板的孔化问题可以完全得到控制。

进一步的，步骤a2中，所述钻孔的主要工艺参数有主轴转速、进给量和最大钻孔数，不同材质的微带覆铜板材钻孔参数不同。

进一步的，所述主轴转速与不同孔径钻孔之间的关系，可通过以下公式进行计算：主轴转速＝12×表面速度/(ⅱx钻头直径)；进给速度可通过以下公式进行计算：进给速度＝主轴转速×切削量。

进一步的，步骤a3中，打断c-f化学键使用的为特种氧化剂。

进一步的，所述特种氧化剂为fluroetch溶液，安全性较高。

进一步的，步骤a3处理完毕后，尽量避免与uv光、高温或高湿等环境接触，不易使结合能力下降。

进一步的，步骤c中，工作环境要求为光绘机房、底片室和丝印曝光间，环境洁净度要求1000级，它可防止底片变形、防止粗大粉尘的存在对线路造成缺陷。

进一步的，步骤b1中，研究过程为：(a)调查腐蚀后微带图形和基准的偏差，列出数据，与设计尺寸进行比较；(b)计算收缩率；(c)对cam数据进行补偿，包括孔位；(d)采用四槽定位系统，减少xy轴不同收缩率带来的偏差；(e)采用模具冲切成形，减少铣刀对微带板的挤压；(f)检测成品板，与设计尺寸进行比较；(g)这个过程经反复研究，得到准确的收缩率。

进一步的，所述fluroetch溶液变成淡绿色时，应更换溶液，新鲜的fluroetch溶液是近乎黑色的墨绿色。随着使用的进程，活性成分的消耗，颜色会渐渐变淡。当变成淡绿色时，fluroetch溶液已近乎完全失去效力，因此应更换溶液。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

(1)本方案可以实现在制备微波陶瓷基板的过程中，对微波陶瓷基板的孔化技术、涨缩控制技术和表面涂覆技术流程进行大幅优化，可大幅提升生产微波陶瓷基板的质量。

(2)步骤a1中，等离子处理设备配置包括射频(rf)电源、真空泵、真空腔、气源(cf4、o2、n2、h2)和p2cim，等离子处理设备可提高含氟微带板的加工周期和可靠性，具有工艺成本低、可操作性强、维护及保养费用低和符合环保等特点，使用等离子处理后，微波陶瓷基板的孔化问题可以完全得到控制。

(3)步骤a2中，钻孔的主要工艺参数有主轴转速、进给量和最大钻孔数，不同材质的微带覆铜板材钻孔参数不同。

(4)主轴转速与不同孔径钻孔之间的关系，可通过以下公式进行计算：主轴转速＝12×表面速度/(ⅱx钻头直径)；进给速度可通过以下公式进行计算：进给速度＝主轴转速×切削量。

(5)步骤a3中，打断c-f化学键使用的为特种氧化剂。

(6)特种氧化剂为fluroetch溶液，安全性较高。

(7)步骤a3处理完毕后，尽量避免与uv光、高温或高湿等环境接触，不易使结合能力下降。

(8)步骤c中，工作环境要求为光绘机房、底片室和丝印曝光间，环境洁净度要求1000级，它可防止底片变形、防止粗大粉尘的存在对线路造成缺陷。

(9)步骤b1中，研究过程为：(a)调查腐蚀后微带图形和基准的偏差，列出数据，与设计尺寸进行比较；(b)计算收缩率；(c)对cam数据进行补偿，包括孔位；(d)采用四槽定位系统，减少xy轴不同收缩率带来的偏差；(e)采用模具冲切成形，减少铣刀对微带板的挤压；(f)检测成品板，与设计尺寸进行比较；(g)这个过程经反复研究，得到准确的收缩率。

(10)fluroetch溶液变成淡绿色时，应更换溶液，新鲜的fluroetch溶液是近乎黑色的墨绿色。随着使用的进程，活性成分的消耗，颜色会渐渐变淡。当变成淡绿色时，fluroetch溶液已近乎完全失去效力，因此应更换溶液。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图；对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然；所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例；而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例；本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例；都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

请参阅图1，一种微波陶瓷基板的制备方法，包括以下步骤：

a、孔化：

a1、等离子处理：通过等离子处理设备处理，改善聚四氟乙烯材料的浸润性，使得聚四氟乙烯材料的亲水性和润湿性变好；

a2、数控钻孔：钻头切削25.40cm-30.48cm介质层后，更换钻头进行加工，保证孔壁的钻孔质量；

a3、化学表面改性处理：对微波基材孔壁进行化学表面改性处理，打断c-f化学键，使微波基材孔壁具有一定的浸润性；

b、收缩控制：

b1、计算收缩补偿量：通过研究，得出x轴收缩率为0.15％，y轴收缩率为0.08％；

b2、四槽定位，模具冲切：在四槽定位系统中，采用模具冲切一次成形；

c、抗阻控制：

c1、计算线宽补偿量：18μm铜箔在进行数据处理时线宽加大0.02mm；

c2、丝印曝光：用平行光曝光机，显影后要检测线宽，应在设计线宽+0.01mm至设计线宽+0.03mm之间；

c3、刻蚀：使用酸性氯化铜蚀刻液，控制溶液的稳定性、蚀刻温度和腐蚀机所设置的传动速度，以控制侧蚀刻的均匀性；

d、表面涂覆：

d1、热风整平：将基材进行热风整平；

d2、有机可焊性保护剂：有机可焊性保护剂是一种薄的有机涂覆层，对高速信号传输的影响很小；

d3、化学沉镍浸金：在整个铜上催化而形成两层金属的涂覆层，顶层的金属将提供低的接触电阻、优良的储存寿命和好的润湿性；

d4、化学浸银：涂覆厚度为0.15μm-0.5μm的纯银；

d5、化学浸锡：在裸露的铜面上，形成一层平整的锡表面处理层，纯锡层保有最少0.2μm厚度；

d6、锡/铅再流化处理：对铜面上的锡/铅进行再流化处理；

d7、电镀镍金：采用类似于化学沉镍浸金的方法，镀上镍层；

d8、化学沉钯：利用化学方法将金属钯沉淀；

d9、电镀金：用电镀法在基板表面镀金。

a、微波陶瓷基板的孔化技术：

在微波陶瓷基板板设计过程中，为达到接地、垂直过渡或焊接润湿性的目的，需要大量金属化孔。而绝大多数陶瓷基板所用板材都含有聚四氟乙烯树脂。聚四氟乙烯是由一个长的线性分子链组成，是一个既憎水又憎油的材料，表面极难浸润。按常规方法进行金属化处理时，镀层附着力很差，甚至根本沉积不上，因此研究合适的表面处理方法，改善聚四氟乙烯材料的浸润性是解决问题的关键。因此我司研发工艺从以下几个方面进行研发：

等离子处理技术：等离子技术已经成为一种应用于材料的表面处理的非常有效的方法。等离子体是部分电离的气体，是常见的固态、液态、气态以外的第四态。等离子体由电子、离子、自由基、光子及其他中性粒子组成。其本身是电中性的。由于等离子体中电子、离子、自由基等活泼粒子存在，其本身很容易与材料表面发生反应。c-f键中的f原子受等离子体中的粒子作用，由原来的基态处于亚稳状态，此时的亚稳活化状态，使得试样表面能升高，因而亲水性、润湿性变好典型的等离子体化学处理工艺是氧气或氢气等离子体工艺。通过等离子体产生的氧自由基非常活泼，容易与有机物中的碳和氢发生反应，产生二氧化碳、一氧化碳和水等易挥发物。不同陶瓷基板板材使用的气体和工艺参数会有区别，如不含陶瓷的聚四氟乙烯板选用n2、h2，单步活化通孔工艺；而含陶瓷的复合介质分两步进行:第一步清洁和微蚀填料(填料包括不规则的玻璃微粒纤维、玻璃编织增强和ptfe陶瓷复合物)，cf4、o2、n2；第二步，n2、h2，等同于纯ptfe材料应用的一步工艺。等离子处理设备配置:由射频(rf)电源、真空泵、真空腔、气源(cf4、o2、n2、h2)、p2cim五大部分组成。等离子处理设备可提高含氟微带板的加工周期和可靠性，具有工艺成本低、可操作性强、维护及保养费用低、符合环保等特点。使用等离子处理后，微波陶瓷基板的孔化问题可以完全得到控制。

数控钻孔技术：微波陶瓷基板孔金属化可靠性与孔数控钻孔质量密切相关。孔数控加工如带来毛刺，金属化孔在装配焊接中会出现裂纹。由于高频板材不适用现在的印制板去刺机，手工操作容易带来孔口的不完整性，所以复合介质板孔数控加工只能通过优化钻孔参数、选用特种刀具来提高钻孔的质量。由于复合介质板内含有聚四氟类树脂、玻璃布及陶瓷粉等增强材料，材料的厚度范围大，强度和硬度变化大，要求的加工精度高。和一般的fr-4材料pcb相比，复合介质板加工时刀具磨损快、发热量大。为提高切削质量和加工效率，我们主要从垫板、转速、进给三个方面来保证复合介质板的外形加工质量。同时对刀具使用寿命进行了考察。

一般情况下，钻头切削25.40cm-30.48cm介质层后，更换钻头进行加工，可保证孔壁的钻孔质量。钻孔的主要工艺参数有主轴转速、进给量和最大钻孔数。不同材质的微带覆铜板材钻孔参数不同，提刀速度为1270cm/min。当表面速度一定的情况下，不同孔径大小钻孔之主轴转速，可通过以下公式进行计算：主轴转速＝12×表面速度/(ⅱx钻头直径)；进给速度可通过以下公式进行计算：进给速度＝主轴转速×切削量。

化学表面改性处理方法：对微波基材孔壁进行化学表面改性处理，其根本目的是打断c-f化学键，使微波基材孔壁具有一定的浸润性。一般地说，打断c-f化学键需非常强的特种氧化剂。而特种非常强的氧化剂在使用过程中非常不安全，需要特殊的防护，如钠萘溶液。相对而言，fluroetch溶液安全得多，但成本很高。

钠萘溶液处理：切割金属钠时，应戴防护眼镜，切不可使钠与水接触，钠应放入煤油中保存。用金属棒不断搅拌使溶液充分反应，当溶液变成黑绿色即可停止搅拌，密封容器。此时可停止通氮气。先往容器中冲入氮气5min，把待处理的微带板装夹好；打开容器，搅拌溶液，把微带板浸入溶液中摆动，1min后取去。密封容器。微波基材如rt/duroid6002是一种含有较大体积分数(>50％)陶瓷粉颗粒，并伴随玻璃短纤维其间的一种聚四氟乙烯合成物。其具有接近5％体积分数的多孔特性，这些微孔存在于陶瓷粉颗粒与ptfe之界面。一些低表面张力的液体，如有机溶剂和负载的表面活性剂水溶液能渗入这些孔中。为减少高频板材中这些成分的影响，在处理前将待处理板在150℃条件下烘烤至少60min。经萘钠溶液处理后，表面性能改善的原因在于金属钠和精萘在一定温度下，溶于四氢呋喃溶剂中，反应形成了活性点。该活性点使得ptfe的表面受到腐蚀与活化。当溶液颜色完全变成淡黄色时，需更换溶液；在操作过程中，禁止溶液中混入水或其它溶剂。因为萘钠络合物遇到空气中的二氧化碳和水起反应。经改性处理的微带板孔壁由原来的灰色变成深褐色。改性处理过微带板可以如同普通印制板一样沉铜。

fluroetch溶液处理：fluroetch溶液相对钠萘溶液更安全，只需在室温中保存，无需特别冷藏。新鲜的fluroetch溶液是近乎黑色的墨绿色。随着使用的进程，活性成分的消耗，颜色会渐渐变淡。当变成淡绿色时，fluroetch溶液已近乎完全失去效力，应更换溶液。处理好的微带板长时间曝光在uv光下，会使结合力下降。如果经过氟蚀后的微带板要停留一段比较长的时间，应尽量避免与uv光、高温、高湿等环境接触。

b、微波陶瓷基板收缩控制：

特殊微波陶瓷基材(如rt6006)在制作过程中有收缩现象，变短范围约0.2mm-0.3mm(板总长150mm)，造成外形加工时定位产生偏差。

在微波陶瓷基板材制作时，需用陶瓷、聚四氟类树脂与铜箔粘结，而粘结温度一般高于200℃。成形以后冷却至室温时，而陶瓷与铜箔的热膨胀系数(cte)是不同的，陶瓷有收缩趋势，但受到两面铜箔的抑制。当在微带图形制作时，一面大部分铜箔被腐蚀掉，介质(陶瓷与聚四氟类树脂)热应力释放，现象是微带板翘曲，经过检测图形尺寸和孔位坐标变小(收缩)。

研究过程:(a)调查腐蚀后微带图形和基准的偏差，列出数据，与设计尺寸进行比较；(b)计算收缩率；(c)对cam数据进行补偿，包括孔位；(d)采用四槽定位系统，减少xy轴不同收缩率带来的偏差；(e)采用模具冲切成形，减少铣刀对微带板的挤压；(f)检测成品板，与设计尺寸进行比较。这个过程经反复研究，得到准确的收缩率:x轴收缩率＝0.15％，y轴收缩率＝0.08％。在进行补偿时，须对下料时的高频板材径纬向进行严格规定。

四槽定位系统在多层对位时有应用，它的目的是将板面的对位误差均分。微带板收缩时采用四槽，制作图形与模具冲切成形变得简单，销钉易装上。四槽与安装孔、金属化孔同时补偿、同时数控加工。

外形加工时开始用pcb数控铣，发现存在让刀的情况，如组件异形微带板。异形微带板方孔和缺口多，在铣切时由于高频板材强度差，它会向铣刀的切力相反的方向让，造成尺寸误差的不稳定。采用模具冲切一次成形避免了让刀问题，同时保证了外形的一致性，便于调整补偿量。

通过以上数据补偿、四槽定位、模具成形等反复试验，掌握了高频基板收缩控制的关键工艺技术，保证了生产中基准和图形的精度。

c、微波陶瓷基板阻抗控制：

高频电子产品典型信号传输过程是高频信号从驱动元件传送出来并经过高频板信号传输线达到接收元件。为了得到能量完整的传输，高频基板的特性阻抗必须与驱动元件、接收元件的“电子阻抗”相匹配，否则会造成信号的失真、延迟甚至于完全丧失。因此在高频基板中，特性阻抗控制是关键中的关键。对于工程制造，高频基板的基材介电常数、介质厚度、铜箔厚度已经选定，实际上需要做的工作是控制导线宽度。如何控制导线宽度有以下四个关键点。

(一)工作环境对环境有要求的有:光绘机房、底片室、丝印曝光间。一般来说，环境洁净度要求1000级，它可防止底片变形、防止粗大粉尘的存在对线路造成缺陷。

(二)处理中的数据处理：根据不同铜箔厚度，对设计的线宽进行补偿。一般地，18μm铜箔在进行数据处理时线宽加大0.02mm是比较有效的。

(三)丝印曝光：丝印前的表面处理适宜于用化学方式。为避免点式光源所产生的斜射、反射、衍射，应用平行光曝光机。显影后要检测线宽，应在设计线宽+0.01mm至设计线宽+0.03mm之间波动。

(四)蚀刻：蚀刻的合理性实际上就是控制侧蚀刻的均匀性。酸性氯化铜蚀刻液的侧蚀刻由如下因素决定:(a)溶液的稳定性；(b)蚀刻温度；(c)腐蚀机所设置的传动速度。溶液成份在工艺范围内的情况下，传动速度的合理调整是保证侧蚀量在合理范围内的有力措施。

从上述措施可以看出，高频基板的特性阻抗控制实质问题是光绘、制板、蚀刻的均匀性问题。

d、微波陶瓷基板表面涂覆：

现今针对电子基板最终表面可焊性涂覆表面处理方式，主要包括以下几种:(a)热风整平；(b)有机可焊性保护剂；(c)化学沉镍浸金；(d)化学浸银；(e)化学浸锡；(f)锡/铅再流化处理；(g)电镀镍金；(h)化学沉钯；(i)电镀金。电子基板的表面涂覆层应考虑具有可焊性、接触功能性和储存寿命以及其它功能方面。当信号传输速度增加时，则在选择表面涂覆层中涂覆层的电气特性将变成最重要的优先位置。

热风整平具有良好的可焊性，但有污染环境问题，同时会引起高频基材变形。有机可焊性保护剂是一种薄的有机涂覆层。它是不导电的，电信号是通过铜来传导的，所以osp对高速信号传输的影响是很小的。但长期储存和作为保护性涂层是不可靠的。

化学沉镍浸金是在整个铜上催化而形成两层金属的涂覆层。顶层的金将提供低的接触电阻、优良的储存寿命和好的润湿性。但高速信号传输的完整性将取决于镍层的厚度和通过镍层传输信号导体的部分。化学浸银是由很薄的(0.15μm-0.5μm厚度)涂覆纯银来组成的。因为浸银的厚度相对于表壳厚度是可以忽略不计的，所以浸银是不明显地影响高速信号传输的。化学浸锡是在裸露的铜面上，形成一层平整的锡表面处理层。化学浸锡具有表面平整度高、操作温度低(可减少由于热应力使板产生翘曲)。化学浸锡要减少“锡须”现象和控制锡铜合金层的厚度。要焊接性良好，必需其纯锡层保有最少0.2μm厚度。化学浸锡是在裸露的铜面上，形成一层平整的锡表面处理层。化学浸锡具有表面平整度高、操作温度低(可减少由于热应力使板产生翘曲)。化学浸锡要减少“锡须”现象和控制锡铜合金层的厚度。要焊接性良好，必需其纯锡层保有最少0.2μm厚度。电镀镍金类似于化学沉镍浸金，镍层影响高频信号而受到限制。

本方案可以实现在制备微波陶瓷基板的过程中，对微波陶瓷基板的孔化技术、涨缩控制技术和表面涂覆技术流程进行大幅优化，可大幅提升生产微波陶瓷基板的质量。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。