張朝東

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十一研究所， 上海 201802)

微波印制板材料對(duì)焊盤的影響*

張朝東

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十一研究所， 上海 201802)

隨著微波器件微型化和集成化的快速發(fā)展，微波器件對(duì)微波印制板材料的要求越來越高以滿足其性能指標(biāo)，出現(xiàn)了許多特殊的微波基材，如銅基微帶板和鋁基微帶板。這些微波板材的制造工藝技術(shù)較高，在實(shí)際使用中受環(huán)境因素和加工技術(shù)的影響，出現(xiàn)了許多性能問題。文中針對(duì)環(huán)境試驗(yàn)中出現(xiàn)的模塊通道故障進(jìn)行故障定位和原因分析，通過工藝試驗(yàn)和工藝分析，從焊盤過孔中查找出銅基微波印制板材料的缺陷，對(duì)引起材料缺陷的原因進(jìn)行了分析，并采用新材料排除了故障。

微波印制板；銅基微帶板；X射線檢測(cè)

引 言

隨著電子產(chǎn)品向輕、薄、高密度及多功能化方向發(fā)展，線路板上的元件組裝密度和集成度越來越高，功率消耗越來越大，這就要求線路板基板的散熱性非常好，金屬基板優(yōu)良的導(dǎo)熱性能恰好滿足這種要求[1]。銅(鋁)金屬基微波印制板因同時(shí)具有強(qiáng)度高、散熱性好、接地性能好等優(yōu)點(diǎn)，得到較為廣泛的應(yīng)用。目前生產(chǎn)微波板材的主要是國外廠商，如歐美的Rogers、Arion、Taconic、Metclad和日本的Asaki、Chukok等，國內(nèi)廠商主要有泰州旺靈絕緣材料廠和陜西華電材料科技有限公司。進(jìn)口的基板材料性能指標(biāo)穩(wěn)定，但帶金屬襯板的板材價(jià)格比較昂貴。而國內(nèi)的微波基板材料中缺少帶金屬襯板的成品板，且基板材料的性能指標(biāo)與國外產(chǎn)品相比還有很大差距，往往需要通過特殊工藝將進(jìn)口板材粘接壓制成銅基或鋁基微波板。由于加工工藝不成熟，產(chǎn)品在使用中會(huì)出現(xiàn)變形、分層、可加工性差、性能不穩(wěn)定等許多問題。

1 故障描述

在某環(huán)境試驗(yàn)中，分機(jī)中變頻模塊在高溫連續(xù)工作過程中出現(xiàn)了幾個(gè)通道增益偏低10 dB的現(xiàn)象，在后續(xù)的高低溫摸底試驗(yàn)中，又陸陸續(xù)續(xù)發(fā)生了6例同樣的故障。設(shè)計(jì)人員對(duì)故障通道電路進(jìn)行了逐級(jí)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)變頻模塊變頻板上面的數(shù)控衰減器的損耗比正常工作時(shí)高了約10dB，輕壓衰減器，則性能恢復(fù)

正常，松開后故障復(fù)現(xiàn)。由于衰減器底部焊盤與印制板背面大面積接地，因此最終判斷衰減器底部接地不良導(dǎo)致?lián)p耗變大，從而引發(fā)通道故障。

2 原因分析

變頻模塊中出現(xiàn)通道故障的變頻板材料為RT5880銅基微波板，按照設(shè)計(jì)要求，變頻板中數(shù)控衰減器(位號(hào)：NSJ1)通過底部焊盤中心的Ф0.6 mm金屬化導(dǎo)通孔與銅基板反面大面積接地，如圖1和圖2所示。

圖1 印制板上焊盤情況

圖2 拆除芯片后的變頻板

芯片采用底面焊接，焊盤涂覆焊膏后在加熱臺(tái)上整體加熱焊接成型，再通過X射線檢測(cè)儀檢測(cè)焊盤焊接情況，發(fā)現(xiàn)部分焊盤出現(xiàn)了氣泡和空洞現(xiàn)象，如圖3所示。初步懷疑引起故障的原因是焊盤中心的Ф0.6 mm金屬化導(dǎo)通孔較大，導(dǎo)致焊錫流失，使焊盤底部焊錫不均勻進(jìn)而使接地性能下降。為了排除焊接工藝問題，對(duì)出現(xiàn)故障的芯片焊盤重新改進(jìn)了焊接工藝。重點(diǎn)將Ф0.6 mm通孔內(nèi)的孔隙用焊膏填滿，再通過X射線檢測(cè)，結(jié)果表明芯片底部焊盤完全滿足焊接要求，如圖4所示。電訊人員在常溫下和經(jīng)溫度篩選后進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)模塊各項(xiàng)指標(biāo)已恢復(fù)正常。

圖3 有缺陷的焊盤X射線檢測(cè)圖

圖4 滿足焊接要求的焊盤X射線檢測(cè)圖

整改后的模塊在環(huán)境鑒定型試驗(yàn)和可靠性試驗(yàn)中再次出現(xiàn)了同樣的故障現(xiàn)象—增益下降?？梢源_定的是，經(jīng)過以上焊接工藝改進(jìn)，芯片的焊接質(zhì)量沒有問題。由于芯片的接地性能完全由焊盤中心的金屬化通孔的連接性能保證，因此，如果通孔內(nèi)部連接出現(xiàn)問題，接地性能就會(huì)下降。為此工藝人員調(diào)整了X射線檢測(cè)儀的觀測(cè)角度，以便觀測(cè)金屬化孔焊接后孔內(nèi)部的連接情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：通道性能下降的金屬化孔的中間部分(厚1.5 mm)出現(xiàn)了明顯的斷層虛化現(xiàn)象，如圖5(a)所示；通道性能完好的焊盤金屬化孔邊緣連接為實(shí)線，沒有斷裂現(xiàn)象，如圖5(b)所示。

圖5 金屬化孔焊接后的圖樣

為了排除偶發(fā)因素，工藝人員又對(duì)所有生產(chǎn)批次的變頻板進(jìn)行了X光檢測(cè)。經(jīng)設(shè)計(jì)人員測(cè)試發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)通孔斷層虛化現(xiàn)象的變頻板的性能指標(biāo)均不合格，而焊盤通孔中雖有少量氣孔和縫隙、但孔圓周邊緣連接完好的變頻板的性能指標(biāo)卻很正常。其原因初步懷疑是焊盤中心的金屬化通孔斷裂而導(dǎo)致接地性能下降。為了更直觀地觀測(cè)焊盤通孔的內(nèi)部情況，工藝人員將變頻板送至專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了金相測(cè)試分析。從金相分析圖可以明顯看出，印制板介質(zhì)層和銅基結(jié)合處的通孔中銅鍍層出現(xiàn)了斷裂分層現(xiàn)象，如圖6所示。

圖6 金屬化孔金相分析圖樣

從金相分析的結(jié)果可以看出，出現(xiàn)斷裂的部位都在微波介質(zhì)板與銅基襯板的連接處，因此懷疑微波介質(zhì)板與銅基襯板的結(jié)合力未達(dá)到要求。為了進(jìn)一步驗(yàn)證板材的結(jié)合力，工藝人員對(duì)問題材料按照GJB 362B—2009《剛性印制板通用規(guī)范》的要求進(jìn)行了抗剝離強(qiáng)度試驗(yàn)。結(jié)果表明，15個(gè)測(cè)試點(diǎn)中有12個(gè)測(cè)試點(diǎn)的抗剝離強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)定的要求(規(guī)范要求表面最小剝離強(qiáng)度為1.4 N/mm)。測(cè)試結(jié)果見表1，其中有6處的推力為0，可以斷定這6處印制板材料與銅基襯板已完全剝離。通過顯微鏡觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，分層后的RT5880銅基板表面覆銅層已出現(xiàn)銅綠氧化現(xiàn)象，如圖7所示。

表1 5880-T銅基板剪切力測(cè)試

圖7 基板覆銅層出現(xiàn)銅綠氧化現(xiàn)象

模塊使用的RT5880微波銅基板是由泰州旺靈絕緣材料廠利用膠粘劑將進(jìn)口RT/duroid 5880微波板與紫銅板通過特殊工藝壓制而成的。常用的膠粘劑有環(huán)氧樹脂、氯丁膠、聚氨酯或硅橡膠等。環(huán)氧樹脂膠接強(qiáng)度大，但脆性較大，耐候性差，易老化開裂；氯丁膠、聚氨酯或硅橡膠等膠接劑雖然克服了環(huán)氧膠的脆性，但其內(nèi)聚強(qiáng)度和膠接強(qiáng)度低[2]。為了提高粘接強(qiáng)度，國外廠商通過特殊的工藝方法對(duì)金屬基板的粘接面進(jìn)行了活化處理，而目前國內(nèi)銅基板的粘接工藝能力還不成熟，穩(wěn)定性和一致性較差，這些因素都有可能使銅基板粘接性能下降，從而使材料分層開裂。

另外，對(duì)于要求金屬化孔的微波板，基材Z軸的熱膨脹系數(shù)越大，在高低溫沖擊下，金屬化孔斷裂的可能性就越大。RT/duroid 5880微波板的Z軸熱膨脹系數(shù)為237×10-6K-1，而紫銅的Z軸熱膨脹系數(shù)只有17 × 10-6K-1，2種材料熱膨脹系數(shù)相差較大，在不同的溫度下2種材料尺寸變化差異大，易造成板材錯(cuò)位分層，導(dǎo)致焊盤性能失效。因此在滿足介電性能的前提下，應(yīng)盡可能選擇Z軸熱膨脹系數(shù)小的基材[3]。

通道性能下降的模塊長期在沿海島嶼進(jìn)行試驗(yàn)，在高溫、高濕和高鹽霧等惡劣環(huán)境作用下很容易造成有缺陷的材料粘接面起泡分層、孔銅斷裂，引起焊盤失效。人為按壓芯片可以使金屬化孔斷裂層短暫接觸，焊盤通孔電連接性能暢通，通道增益恢復(fù)正常，但一旦松開，金屬化孔斷裂層又會(huì)斷路，通道增益又將下降。

3 故障定位

通過以上試驗(yàn)和分析可以確定，引起變頻單元通道中數(shù)控衰減器故障的主要原因是微波印制板基材的缺陷導(dǎo)致材料分層以及焊盤的金屬化孔斷裂，從而使接地性能下降。

4 解決措施

針對(duì)故障原因，設(shè)計(jì)人員從進(jìn)口板材中選擇了與RT/duroid 5880介電常數(shù)一致的銅基微波板TLY-5-0100-CH/C1mm-H。該材料是TACONIC(泰康利)公司的成熟產(chǎn)品，其介電常數(shù)為2.2，介質(zhì)厚0.254 mm (10 mil)，銅箔厚18 μm，銅基厚1 mm，材料抗剝離強(qiáng)度大于2.97 N/mm。為了驗(yàn)證新材料的性能，設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)了與故障模塊相同的印制板，經(jīng)過嚴(yán)格的溫度環(huán)境試驗(yàn)和疲勞篩選后，再次對(duì)新材料的電性能指標(biāo)和物理性能進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果顯示，微波板的電性能指標(biāo)正常，焊盤上的金屬化孔孔壁鍍銅層厚度均勻連續(xù)，連接可靠，如圖8所示。

圖8 TLY-5銅基板金相測(cè)試圖

按規(guī)范要求，重新進(jìn)行了抗剝離強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見表2。測(cè)試的7個(gè)點(diǎn)都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，其中最大值為4.537 kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 TLY-5銅基板剪切力測(cè)試

印制板組件經(jīng)X光檢測(cè)，確認(rèn)焊盤中心的金屬化通孔內(nèi)部完好，測(cè)試結(jié)果也表明其各項(xiàng)電訊指標(biāo)完全滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，可以驗(yàn)證更改后的TLY系列銅基微波板性能滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，在后續(xù)的產(chǎn)品定型試驗(yàn)和交付使用中也未出現(xiàn)類似的故障問題。

為了保證產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性，對(duì)已生產(chǎn)或交付的所有模塊中采用同種材料的變頻板全部進(jìn)行更換，并從材料優(yōu)選手冊(cè)中去除該類印制板材料。為了提高印制板焊接的可靠性，在焊盤中心盡可能不設(shè)計(jì)通孔。如果一定要有通孔，可以通過增加多個(gè)小孔來提高連接的可靠性，并通過銅漿灌孔的方式提高焊錫流動(dòng)的均勻性和通孔的連接質(zhì)量。

5 結(jié)束語

目前隨著微波和毫米波子系統(tǒng)的快速發(fā)展，小型化、微型化的微系統(tǒng)集成模塊大量應(yīng)用在產(chǎn)品中。為了實(shí)現(xiàn)傳輸信號(hào)的低損耗、低延遲，對(duì)微波板材的性能提出了更高的要求，不僅要有較低的介電常數(shù)、介質(zhì)損耗等電性能要求，還要有穩(wěn)定可靠的耐高低溫和耐老化的物理性能要求。因此，設(shè)計(jì)時(shí)在注重性能指標(biāo)的同時(shí)，還要多關(guān)注相關(guān)器件和材料的物理特性、環(huán)境適應(yīng)性等指標(biāo)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性。

[1] 徐浩平. 銅基微帶板加工技術(shù)[J]. 印制電路信息, 2013(10): 63-66.

[2] 武斌功. 微帶天線襯底工藝研究[C]//中國電子學(xué)會(huì)青年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集. 北京: 中國電子學(xué)會(huì), 1998.

[3] 楊維生. 微波印制板制造技術(shù)研究[C]//2003中國電子制造技術(shù)論壇暨第七屆SMT、SMD技術(shù)研討會(huì)論文集. 深圳: 中國電子學(xué)會(huì)生產(chǎn)技術(shù)學(xué)分會(huì), 2003.

張朝東(1975-)，男，工程師，主要從事產(chǎn)品工藝總體研究工作。

Effect of Microwave Printed Circuit Board Material on Pad

ZHANG Chao-dong

(The51stResearchInstituteofCETC,Shanghai201802,China)

With the rapid miniaturization and integration of the microwave devices，the requirements of the microwave printed circuit board materials are increasingly high to meet the performance requirement of the devices. And many special microwave substrates have emerged，such as the copper-based microstrip plate and the aluminum-based microstrip plate. Due to the environment and processing technology, many performance problems of these microwave substrates have appeared in the application. In this paper the fault location and reason analysis of the channel failure in the environmental test are analyzed. The defects of copper-based microwave printed circuit board materials are identified from the pad hole by test and processing analysis. The defect reason is analyzed and new materials are used to solve the problem.

microwave printed circuit board; copper-based microstrip plate; X-ray detection

2015-07-24

TG115

A

1008-5300(2016)03-0052-04