多层印制电路板控深钻孔研究

    【集萃网观察】摘要：目前，通讯用聚四氟乙烯微波多层印制电路板的制造技术越来越显现出其重要性，本文在对多层印制电路板制造金属化孔互连技术进行简单介绍的基础上，对多层印制电路板及微波多层印制电路板制造金属化孔互连之控深钻孔技术进行了较为详细的论述。

　　一、引言

　　上个世纪四十年代，单面印制电路板的问世揭开了印制电路板工业发展的序幕；五十年代初期，由于铜箔和层压板的粘合问题得到解决，覆铜箔层压板性能稳定可靠，并实现了大规模工业化生产，铜箔蚀刻法，成为印制电路板制造技术的主流，一直发展至今；六十年代，孔金属化双面印制电路板和多层印制电路板实现了大规模生产；七十年代大规模集成电路和电子计算机的迅速发展、八十年代表面安装技术和九十年代多芯片组装技术的迅速发展，都极大推动了印制电路板制造技术的继续进步，一批新材料、新设备、新测试仪器相继涌现；进入21世纪，埋置元件类印制电路板的日益普及，给印制电路板的发展带来了新的机遇和挑战。印制电路板制造进一步向高密度，细导线，多层，高可靠性、低成本和自动化连续生产的方向发展。

　　另外，印制电路板品种的不断增多，也体现出印制电路板行业兴旺发达的大好景象。随着现代通讯技术的飞速发展，不再是选用单一的环氧玻璃布覆铜箔层压板基材，大量微波印制电路板制造之聚四氟乙烯绝缘介质层压板材料的选用，不但拓宽了印制电路板制造行业领域，同时，给印制电路板制造技术的不断创新奠定了坚实的发展创新条件。

　　纵观世界，在各种聚四氟乙烯介质类微波印制电路板的制造方面，美国同行已掌握并实现了多种型号双面微波层压板基材的多层微波印制电路板制造技术。其中包括微波介质基板多层化层压制造、金属化孔互连及埋/盲孔制造、多层微波印制电路板电装及耐环境保护性阻焊膜制造、多层微波线路表面电镀镍金以及多层微波印制基板的三维数控铣加工等制造技术。

　　鉴于高频信号传输的特殊性，其主要将涉及到各类微波功能基板多层化制造技术、平面埋电阻制造技术、层间绝缘介质厚度控制技术、多层微波印制电路板各层间图形高重合度技术、各类微波介质材料孔金属化互连制造技术以及三维数控加工技术。这些都是目前国内印制电路行业尚未实现的技术，因此与国外同行存在着较大差距。

　　此次研究，鉴于选用Rogers公司提供的RT/duroid6002微波层压板材料和Arlon公司提供的CLTE-XT平面电阻微波层压板材料，开展埋电阻多层微波印制电路板的制造工艺技术研究，其中将不可避免的面临微波多层印制电路板各层间的金属化孔互连，鉴于PCB设计需求之独特性，需解决金属化孔互连之控深钻孔技术。

　　二、多层印制电路板金属化孔互连技术简介

　　1.PCB设计需求金属化孔互连简介

　　有源馈电网络综合了高性能、多功能、高可靠、低损耗、幅相一致性以及小型化、轻量化的要求，给多层微波印制电路板的PCB设计和制造带来了很大难度。为此，将不同的功能分别PCB设计在不同的层上，如将微带线、带状线、低频控制线等混合信号线组合在同一个多层结构中，通过多种类型金属化孔的制造，实现直流互连。

　　垂直互连是微波多层电路中实现不同层电路之间连接的主要方式。垂直互连主要由金属化盲孔和埋孔实现。鉴于PCB设计需要，内层同一层电路，将会面临与上、下不同层电路的同时互连。因此，控深钻孔技术研究成为必然。

　　2.各类金属化孔互连制造

　　此次研究，根据PCB设计层间互连要求，需进行多次金属化孔的制造，其中还涉及到盲孔、背靠背互连盲孔的金属化孔制作。具体措施如下：

　　2.1　金属化孔制作

　　鉴于RT/duroid6002微波介质多层板的特点（含有PTFE），采用等离子处理新技术，随后进行孔金属化处理。

　　评判：可通过多层板制作的附连板图形，制作金相切片，进行可靠性测试，检验其可靠性。

　　2.2　盲孔制作

　　鉴于此次PCB设计中，提出了金属化盲孔制造的要求，必须通过多次层压制作才能实现。

　　（1）通孔金属化孔制作；

　　（2）多次层压制作。

　　2.3　背靠背互连盲孔制作

　　鉴于此次PCB设计中，提出了背靠背互连盲孔制造的要求，必须通过PCB设计层次的层压制作、金属化孔制作、控深钻孔制作才能实现。具体为：

　　（1）层压制作；

　　（2）通孔金属化孔制作；

　　（3）控深钻孔制作：

　　控深钻孔制作借鉴于国外先进印制电路板制造技术。“控深钻孔技术”的运用，是在前期金属化孔制造的基础上，通过反钻孔控制深度的技术，来实现局部盲孔互联。具体措施如下：

　　① 选用可控制钻深的数控钻床进行反钻孔制作。

　　② 模版制作时，PCB设计出3-Φ30+0.03定位孔，中心对称；印制电路板正反面PCB设计出反钻孔定位零位直角座标；生成反钻孔位置座标。

　　③ 利用FR-4多层板进行初步反钻孔研究。

　　④ 利用RT/duroid6002非电阻微波介质板制作多层板，进行进一步反钻孔研究。

　　⑤ 制作金相切片，评判反钻深度。

　　三、FR-4多层印制电路板控深钻孔技术研究

　　1.试验过程简述

　　（1）借助FR-4单片（0.5mm）四张，层压成8层板；

　　（2）数控钻孔；

　　（3）等离子处理、化学沉铜、全板加厚；

　　（4）外层图形转移；

　　（5）控深钻孔（其中，一种座标孔仅为正面8-1-1控深钻；另一种座标孔为正8-1-1反8-8-1两面控深钻。）（原金属化孔孔径为Φ0.4mm，控深钻孔为平头Φ0.6mm）；

　　（6）对控深钻孔板进行箭嘴控深钻孔位置标识（其中，两面控深钻孔位置采用原版红箭嘴进行指位；仅正面控深钻孔位置采用红箭嘴涂黑进行指位）；

　　（7）数铣取样（两面控深钻孔和单面控深钻孔，均采用五位置取样法，依次为：左上部、左下部、右上部、右下部和中心部）；

　　（8）灌模，制作金相切片；

　　（9）金相显微镜拍像并采集数据。

　　2.控深钻孔深度控制反思

　　根据控深钻孔后板的取样，制作金相切片及观测后，对控深钻孔深度的控制反思总结如下：

　　（1）从此次试验结果分析，出现了下述各种情况：

　　①控深钻深度未至内层铜，距离为一个内层铜厚度；

　　（2）部分控深钻孔深度超要求主要原因：

　　按照PCB设计要求（0.1mm），结合多层板各介质层厚度统计，控深钻孔深度需控制范围为：0.46～0.56mm。但实际操作过程中，控深钻孔深度为0.51mm，最终导致了实物部分位置控深钻超差。

　　（3）控深钻孔深度误差范围：两个内层铜厚度（0.07mm）。

　　四、聚四氟乙烯微波多层印制电路板控深钻孔技术研究

　　1.试验过程简述

　　（1）借助RT/duroid6002单片（0.5mm）四张，层压成8层板；

　　（2）数控钻孔；

　　（3）等离子处理、化学沉铜、全板加厚；

　　（4）控深钻孔（其中，一种座标孔仅为正面8-1-1控深钻；另一种座标孔为正8-1-1反8-8-1两面控深钻。）（原金属化孔孔径为Φ0.4mm，控深钻孔为平头Φ0.6mm）；

　　（5）对控深钻孔板进行箭嘴控深钻孔位置标识（其中，两面控深钻孔位置采用原版红箭嘴进行指位；仅正面控深钻孔位置采用红箭嘴涂黑进行指位）；

　　（6）数铣取样（两面控深钻孔和单面控深钻孔，均采用五位置取样法，依次为：左上部、左下部、右上部、右下部和中心部）；

　　（7）灌模，制作金相切片；

　　（8）金相显微镜拍像并采集数据。

　　2.层压过程介质厚度控制问题

　　众所周知，控深钻孔品质高低，最基础的工作应该是尽量保证多次层压的过程控制水平，其中最重要的是确保控深钻孔深度的均匀一致性。

　　有鉴于此，特于层压制作前后，对各聚四氟乙烯层压板及最终微波多层印制电路板之厚度进行了分布测量。

　　五、结论

　　此次围绕PCB设计需求所开展的多层印制电路板制造金属化孔互连之控深钻孔研究，基本实现了控深钻孔的位置及深度控制，在对原材料覆铜箔层压板进行厚度质量控制的前提下，加强多层板的层压控制，保持数控控深钻孔设备的加工稳定性，完全能实现PCB设计之背靠背金属化孔互连要求。

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