一种利用激光制作高频微波板的方法与流程

1.本发明属于电路制作技术领域，涉及高频微波板的制造方法，尤其是一种利用激光制作高频微波板的方法。


背景技术：

2.近十多年来，电子产品中的信号处理和传输的速度，已经由几兆(mhz)、几十兆、到几百兆,现在就达到几个ghz、几十ghz、几百ghz,甚至上千ghz的传输速度，如目前和今后的移动电话(手机等)的额定频率为4ghz或5ghz。尤其在无线网络、卫星通讯的日益发展下，电子设备高频化，信息产品走向高速与高频化，通信产品走向容量大速度快的无线传输之语音、视像和数据规范化，这些因素造成了高频电路板的迅猛发展。卫星系统、移动电话接收基站等通信产品必须应用高频电路板，在未来几年又必然迅速发展，高频电路板的需求会越来越大。
3.高频微波电路板传统工艺加工的合格率较低，主要表现在孔内镀铜困难和线宽精度一致性差这两个方面。目前高频微波板加工首选板材为氟系介质基板，如聚四氟乙烯(ptfe)，但由于聚四氟乙烯属于非极性分子，造成与化学铜结合较差，因此需对与化学铜结合面进行特殊表面处理。处理方法上有聚四氟乙烯表面进行化学蚀刻或等离子体蚀刻，增加表面粗糙度或者在铜箔与聚四氟乙烯树脂之间增加一层粘合膜层提高结合力，但可能对介质性能有影响。即使采用以上方法仍然不能完全解决孔内镀铜困难这一难题。电镀铜厚的均匀性差异为后续的线路蚀刻工艺带来了直接的加工困难，不仅不同批次的电路板铜厚存在较大差异，即使是同一批次的不同pnl也存在铜厚差异，蚀刻工艺本身存在水池效应等，造成了加工精度难以控制，做出的线宽的几何尺寸偏离设计要求。


技术实现要素：

4.本发明针对上述技术的不足，提出了一种利用激光制作高频微波板的方法，按照本发明的方法，可以改进现有技术的不足，获得更精准的加工线路，更可靠的加工质量。
5.本发明的具体步骤如下：
6.(1)工程资料制作：按照设计要求，进行工程文件处理，制作出开料、钻孔、孔金属化、线路制作、阻焊字符、外形等各工艺加工过程中所要使用的工程资料。
7.(2)开料：按照要求尺寸裁剪出生产所需的高频微波板覆铜板基板。
8.(3)钻孔：在需要制作孔的区域，用激光机选择性去除导电材料层、绝缘材料层。
9.二氧化碳激光器产生激光波长在中红外波段，容易被环氧树脂等高聚物吸收，但与金属铜耦合效率低，其能量难于被铜吸收。这样，当二氧化碳激光光束投照到树脂上时，能量被吸收，树脂被破坏，以气体或灰尘的形式被排除，当激光光束去除树脂后，即使达到铜箔表面上时，因为铜对该波长激光能量吸收率低，也不会破坏铜箔，因此就实现了对材料选择性的加工。当前，二氧化碳激光广泛应用于电路板钻孔，优点是其对有机物和金属有选择性，但由于难于被铜箔吸收，在钻孔时需要用其它办法去除孔表面层的铜箔。
10.紫外波长的激光，光子能量高，与高聚物、金属都有较高的耦合效率。即使如此，并不是所有的紫外激光都必然会对物质造成破坏。要破坏某种物质，需要对其施加功率密度大于破坏该物质的门槛值的激光。为了获得较高的功率密度，采用调q等技术手段，累积激光物质产生的激光能量，待其达到一个较高的能量值时，再迅速释放，周而复始，形成依一定时间间隔在一定时间长度内释放激光能量串，这就是脉冲激光，其特点是功率密度比不间断地连续地释放增高很多。大多数紫外激光源，平均功率并不高，但由于采取了将能量累积后，再在纳秒级别时间内迅速释放的脉冲激光技术，能获得足够达到去除物质门槛值的功率密度。
11.用紫外激光加工孔，可以控制其功率、施加的脉冲数等激光参数，使其达到先去除孔表面铜箔，然后再去除孔内高聚物，去除高聚物时，使投照的激光功率密度不足以达到去除高聚物下面铜箔的门槛值，或使投照的激光脉冲数仅够去除高聚物之用，不破坏或很少破坏高聚物下面的铜箔，也能实现对材料有选择的加工。
12.皮秒、飞秒激光是指在皮秒、飞秒时间量级内将累积的能量释放的激光技术。这类激光器，释放脉冲所用时间极短，释放速度极快，因此也称超短脉冲或超快激光。超短脉冲激光，与各种材料都有良好的耦合率，加工过程中产生的热量很小，控制好施加脉冲的数量和方式，不论是红外、绿，还是紫外波段的皮秒、飞秒都能轻松完成本发明方法中的钻孔任务。
13.(4)物理孔化：向导通孔内输送导电材料，使其固化或凝固后，附着于孔壁或充填于孔内，实现两导电图形层间的电气互连。
14.为了增加导电材料与孔壁、孔内盘的附着力，在完成钻孔步骤后，物理孔化步骤前，可以选择对孔内表面进行去氧化层、清洁、改变表面结构，甚至改变其表面形貌处理。当然，如果控制好激光钻孔参数，就能够获得宏观光滑，微观粗糙的孔壁及孔内盘的表面。这样，就可以在控深打孔步骤后，直接进行物理孔化步骤。无论如何，进行步骤三与步骤四的时间间隔越短越好，并且，物料的存放与传递过程，尽可能避免氧化，比如采用氮气保护。
15.导电材料向孔内输送的方法，很大程度取决于材料本身的形态，膏状材料适合于正压力推挤注入与施加负压力抽吸拉入组合手段，比如丝网漏印，然后加热固化或重熔的方法；粉末状材料适合于边喷边加热固化方法，比如喷印的同时用激光或其它能源固化或重熔的方法；液体材料适合于类似浸焊或波峰焊施加焊料方法，一步完成物理孔化过程。
16.对于需要插装元件管脚的孔，最好能在输送导电材料及使其凝固或固化过程中，配备抽吸装置向孔内材料施加负压力，将孔芯部位的导电材料排出，形成与管脚尺寸匹配的空心孔。
17.另一种方法是通过挤压将导电材料灌入孔内，制成实心孔，然后再进行二次钻孔，制出插装元件管脚的空心孔。与本发明步骤二控深打孔不同，二次钻孔需要的是通透孔，可用一般机械方法完成，当然，也可以用激光进行二次钻孔。
18.导电材料一般是纯度较高的金属，如银、铜、银包铜、锡、锡铅合金、锡铜合金等制成的球状、片状的颗粒粉末，也可以是固含量较高的上述金属颗粒与其它材料混合而成的导电印料、油墨等。材料技术、特别是纳米材料技术，扩大了适合本发明导电材料的选择范围。判断导电材料是否合适的最重要依据是导电性能和施工的难易程度，决定因素包括：导电物质的品种、形态、粒径分布、固体含量百分比、助剂的种类和百分比，以及电路板最小孔
径、对孔电阻和可焊性的要求、输送方法等。
19.现有的电路板制造技术的银浆灌孔、炭浆灌孔方法，各种填孔、堵孔方法，包括设备、原料，稍加改进，也可以应用于本发明物理孔化步骤。
20.(5)线路制作：按设计要求，选择性去除电气绝缘材料的部分区域上的导电材料层，制作出顶底面导电图形，得到高频微波线路。
21.与现有技术不同的是，制作电路板导电图形的起始材料，即原始的覆铜板，板面上的铜箔没有经过加厚处理，比现有技术，厚度约薄10μm以上，重要的是厚度均匀程度大幅度提高，使得导电图形制作要容易得多。量的积累产生质的飞跃，厚度薄而均匀的铜箔，使得机械、激光直接成型技术除了保留柔性、环保、高精密特色外，而且，经济和质量性能也取得了工业化的进步。比如实施本发明时，采用德中公司的striping&stripping技术制导电图形技术，可以环保且经济、高质量地去除不需要的铜箔，完成电路结构制作，这正是本发明的目的之一。毫无疑问，实施本发明的制作方法，仍然可以继续采用传统的化学蚀刻技术制作导电图形。不同的是，工艺难度下降，同样的条件下，可以做出更精细的电路。
22.本发明，通过改变光束传输系统中扩束倍数改变激光焦平面与材料作用的光束直径；或者，在加工过程中通过偏离焦平面改变激光与材料作用的光束直径；或者，通过改变聚焦透镜的工作距离改变激光焦平面与材料作用的光束直径。
23.本发明，根据线路图案的几何形状和尺寸，并根据图案宽度与光束直径的对应关系，以光束直径为变量，以加工速度快为优先，相邻光束作用区域搭接时无罗叠为约束条件，以投照于单位面积上的激光能量、单位面积上激光功率为恒量，生成针对该加工任务的激光加工参数、加工数据。
24.本发明采用可以固定激光光能量密度和光功率密度，但光束直径可变的加工方案。首先，固定的光能量密度、光功率密度，能保证加工质量的一致性；其次，光束直径可变，在加工中能按照图素宽度，匹配相应直径的光束。这样，当图素宽度大时，采用与之宽度匹配的较大直径光束加工，速度快，能充分利用激光光源的功率资源，在加工宽度大图素时，不需要多次错位扫描，一次性遍及全部区域。此外，光束直径可变的加工技术，在加工更大宽度图素时，用直径相加恰等于其宽度的两个及两个以上相同直径或不同直径的光束，边缘与边缘相邻，不需要罗叠，完成图素内全部区域扫描，区域内各处加工密度相同，加工质量一致。
25.(6)阻焊字符：经等离子处理后在板件表面刷印阻焊油墨，低温半固化后进行曝光、显影，然后进行高温全固化处理。再印刷上字符所使用的油墨，经半固化、曝光、显影制得用于指示组装零件位置的字符文字。对于设计需要不需要印制阻焊字符时，该步骤可以省略，直接进入下步工艺流程。
26.(7)可焊性处理：按照客户设计要求，进行喷锡、镀金、osp、沉金等处理工艺，如果需要电镀金，此步完成以后还需要把镀金工艺导线去掉，去除工艺导线也通过激光去除。
27.(8)外形：用激光机进行分板切割，得到产品的最终外形尺寸。有内槽制作要求的也在此步工艺完成制作。
28.本发明的优点和效果是：
29.1，使用激光钻孔代替机械钻孔，可以加工出孔径更小的孔，提高孔密度，加工出来的孔壁平直，可以很好的避免因凹凸度大导致的芯吸现象。
30.2，用物理手段向孔内添加导电材料实现不同导电图形层之间电气互连，孔金属化步骤少，流程简单，环境友好，可以有效的解决ptfe板材孔内镀铜难题。
31.3，通过物理孔化方式，电路板表面铜箔厚度薄而均匀，无论采用化学蚀刻、机械雕刻、激光蚀刻均可以制作出精细结构。
32.4，用激光直接成型导电结构技术替代化学蚀刻技术制导电图形，用物理孔金属化代替化学镀和电镀孔金属化，主要制程为干法，环境友好。
33.5、激光直接成型线路采用固定激光光能量密度和光功率密度，但光束直径可变的加工方案，不仅可以大幅提高激光加工的效率，更为重要是还可以保证加工质量的一致性。
34.6，制电路板不再需要化学蚀刻、化学镀和电镀，所需要的设备、材料和空间比现有技术少，管理难度低，经济性好。
35.7，制作电路板流程短、加工效率高、加工柔性高，降低制电路板技术难度，使样品电路板，小批量、多品种电路板，特殊品种电路板制造更容易快捷。
附图说明
36.图1为一种利用激光制作高频微波板的方法的工艺流程图；
37.图2为34ghz平行耦合带通滤波器设计图；
38.图3为激光加工的34ghz平行耦合带通滤波器第一阶耦合线线宽间距实物测量数据；
39.图4为激光加工的34ghz平行耦合带通滤波器第二阶耦合线线宽间距实物测量数据；
40.图5为激光加工的34ghz平行耦合带通滤波器实物ads仿真结果。
具体实施方式
41.以下将结合一个实施实例，对本发明做进一步的说明。下述的实施实例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施实例来限定本发明的保护范围。
42.一种利用激光制作高频微波板的制造方法，本实施例以双面高频微波板加工为例，具体步骤如下：
43.(1)工程资料制作：按照设计要求，使用数据处理软件circuitcam7进行工程文件处理，制作出开料、钻孔、孔金属化、线路制作、阻焊字符、外形等各工艺加工过程中所要使用的工程资料。该步骤也可以使用电路板工厂常用的genesis、cam350、ucam、gccam等。
44.(2)开料：按照要求尺寸，将开料工程文件导入紫外纳秒激光机上，用软件驱动激光机，裁切外购的罗杰斯5880板材。
45.(3)钻孔：把15mil厚度的5880基板放置于吸附台上，将钻孔工程资料文件导入紫外纳秒激光机上，驱动激光机，在需要制作孔的区域，用激光机选择性去除导电材料层、绝缘材料层，得到钻孔后的罗杰斯5880基板，此步骤还需完成后续各类定位孔的制作。
46.具体地，本实施例采用20w紫外纳秒激光机进行激光钻孔，加工参数如下：
47.功率/w频率/khz脉宽/ns加工速度/mm/s加工次数备注81502030035聚焦
48.(4)物理孔化：将钻孔后的罗杰斯5880基板放置在物理孔化设备的吸附台上，再盖
上防溢漏印膜，对位、固定后，取适量导电银浆置于防溢漏印膜空白部分，用刮板正反向各刮印一次，然后将板件翻转，再刮印另一面，然后将防溢漏印膜撕掉，将罗杰斯5880基板置于烘箱中，烘烤参数：120℃*30min，固化完成后得到孔金属化的罗杰斯5880基板。
49.(5)线路制作：将完成孔金属化的罗杰斯5880基板放置在纳秒紫外激光机吸附台上，将线路的工程资料文件导入激光机上，驱动激光机，完成自动定位后，对5880基板的元件面进行激光直接成型加工，去除不需要的铜箔，制出元件面的高频微波线路，翻转基板，完成自动定位后，制作出焊接面的高频微波线路，此步骤还需完成后续镀金工艺导线的制作。
50.具体地，本实施例采用20w紫外纳秒激光机制作导电线路，加工参数如下：
[0051][0052][0053]
(6)阻焊字符：将已经制作出高频微波线路的罗杰斯5880基板进行轻微磨刷处理，然后置于等离子清洁机中，经等离子活化处理后在板件表面刷印阻焊油墨，低温半固化后，根据定位孔及图形进行对位，进行曝光、显影，然后进行高温全固化处理。再印刷上字符所使用的油墨，经半固化、曝光、显影制得用于指示组装零件位置的字符文字。
[0054]
(7)电镀软金：按照设计要求，根据电镀面积及镀金要求厚度，设置合适的电镀参数完成电镀软金工艺。
[0055]
具体地，本实施例电镀软金参数为：0.4asd*20min。
[0056]
(8)外形：把5880基板放置于吸附台上，将分板资料文件导入紫外纳秒激光机上，驱动激光机，自动定位完成后，用激光机首先去除镀金工艺导线，然后进行分板切割，得到产品的最终外形尺寸。
[0057]
该实施例制作了34ghz平行耦合带通滤波器，该滤波器的关键参数为：第一阶耦合线(第四阶与之对称)，线宽：0.17mm，间距：0.1mm。第二阶耦合线(第三阶与之对称)，线宽：0.35mm，间距：0.1mm。根据测量结果可以得出，线宽的加工误差在6um之内。
[0058]
电性能测试结果如图5所示：曲线b为ads的s21仿真结果，曲线c为实测结果，曲线a为去嵌入校准后的结果。实测结果与仿真结果较吻合。
[0059]
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。