微波雷達印制電路板天線區(qū)品質控制探討

羅家偉 黃 力 楊潤伍 李 亮

（珠海方正科技高密電子有限公司，廣東 珠海 519175）

0 前言

隨著國家人工智能戰(zhàn)略的發(fā)展,無人駕駛技術成為其中的熱門方向,而毫米波雷達是無人駕駛技術中的重要輔助系統[1]。不僅如此，其運用領域非常廣泛；汽車ADAS（Advanced Driving Assistance System）領域中智能駕駛雷達；智能交通領域中車速和流量檢測雷達；停車場內道閘、車位檢測雷達；機器人/無人船領域中規(guī)避雷達；無人機領域需規(guī)避雷達；工業(yè)應用中物位液位計等等。

天線作為雷達傳感器的關鍵性器件，一方面需要盡可能多地把射頻源的信號發(fā)射出去；另一方面需要使雷達波覆蓋到合適的區(qū)域[2]。所以高頻毫米波雷達天線印制電路板在其生產制作中，外層蝕刻后對應的微波雷達天線區(qū)域（見圖1所示）所有的外形圖形盤（PAD）要求非常嚴格，有EA值（見圖2所示）控制要求（天線區(qū)域所有直角）。一旦EA值超出要求就會影響無線信號的傳輸和接收，嚴重情況下出現信號增益的問題。

圖1 幾類典型微波雷達天線區(qū)域圖

圖2 EA值控制示意圖

為實際生產過程中便于管控此類產品，特別是工程設計、電鍍、蝕刻要控制好相關參數確保EA值及線寬符合客戶要求，同時其線寬及焊盤大小間距公差也需嚴格控制（按±25.4 μm控制）。本文從實際生產中遇到的困難并依此提出了一些改善方案。

1 涉及PCB技術特點

依據高頻微波雷達天線板其工作頻率高的特點，其在制作選材上一般偏向于高頻微波材料；而其他層次對信號傳輸沒有這么高要求，一般會選擇普通FR4板材。因此其一個加工工藝特點為高頻混壓。

由于微波雷達天線區(qū)域一般均與CPU（中央處理器）相連，則PCB板一般有BGA（球柵陣列）設計；連接BGA與天線區(qū)域的關鍵線就顯得尤為重要，同時為了節(jié)約空間，一般均采用激光盲孔設計網絡屏蔽層及散熱功能。涉及PCB加工工藝特點有通填HDI（高密度互連）盲孔與導通孔上連接盤（POFV）工藝。但其關鍵信號傳輸線與天線區(qū)域PAD公差需要嚴格控制在±25.4 μm；其重要的關鍵加工特點為：雷達天線精度管控。

微波雷達天線區(qū)域蝕刻后所有的PAD需要控制EA值；若EA值控制不好，則測量微波雷達能量峰值時出現信號增益大、能量差別高及信噪比低。其PCB加工工藝特點為：雷達天線區(qū)域PAD的EA管控。

微波雷達天線區(qū)域外觀同樣非常關鍵，生產過程中是不允許修理，此類關鍵區(qū)域有外觀不良品質問題，基本只能選擇報廢處理。涉及PCB頭疼的刮傷、擦花管控。

2 過程制作

2.1 高頻混壓

通過與客戶溝通并了解，其高頻微波雷達天線板其工作頻率可高達24 GHz、77 GHz、79 GHz等不同頻率。由于其頻率高，波長短的特點，故而決定了雷達系統的射頻前端和天線都需要使用高頻微波材料。當綜合考慮其成本及性能方面，我司選擇價格適中且性價比極高的高頻微波材料RO4835板材。同時了解到PCB板其他層次對信號傳輸并沒有這么高要求，考慮成本及加工難度等因素，確認選擇普通FR-4板材，如IT180A或S1000-2等高Tg板材。由于Rogers板材的特殊性能，增加了制作過程中的難度。制作過程中需控制最終產品板翹曲度需小于等于1%便于貼件。采用高頻板與普通FR-4板材混壓，兩種板材不同的應力形變。為改善板曲的目的壓合制作方法如下。

（1）壓合排版時采用背靠背疊板（如圖3所示）；同時使用全新牛皮紙緩沖提高樹脂流動均勻性。

圖3 壓合排版方式

（2）壓合后固化時間（＞190 ℃）大于100 min，使樹脂能完全固化。

（3）壓合冷壓時間延長至120 min，有利于熱應力逐步釋放。

從數據收集情況看，板曲值均控制在1.0%以下；符合客戶要求。通過制程能力分析（如圖4所示），板曲正態(tài)概率分布P=0.213＞0.05，說明微波雷達天線區(qū)域EA值滿足正態(tài)分布；且其過程能力分析可知，Cpk=1.41＞1.33，說明板曲過程控制良好。按此類壓合方法制作高頻混壓板板曲完全滿足正常批量生產的要求。

圖4 板曲制程能力

2.2 微波雷達天線精度管控

微波雷達天線區(qū)域線寬線距均需按±25.4 μm控制；則外層完成銅厚需重點控制。由于外層激光孔和通孔一起電鍍，且部分導通孔與盲孔全部樹脂塞孔及研磨后并電鍍填平，加大了均勻性變化系數（COV=平均值/標準偏差×100%）影響因素。

2.2.1 流程設計

前工序→壓合→樹脂研磨（除流膠）→MASK開窗→mask AOI→激光鉆孔→plasma→AOI→鉆孔→PTH+電鍍→填孔電鍍→整板鍍銅→樹脂塞孔①→樹脂研磨→樹脂塞孔②→樹脂研磨→塞孔AOI→PTH+POFV（電鍍塞孔）→外層圖形→外層蝕刻→阻抗測試→外層AOI→后工序。

2.2.2 銅厚均勻性控制

從流程發(fā)現影響銅厚有三大段工序，制作工藝控制要求如下。

（1）PTH+電鍍→填孔電鍍→整板鍍銅（通填HDI盲孔）

①PTH正常制作，電鍍采用閃鍍，一般鍍銅厚5～8 μm；

②填孔電鍍：通孔盲孔一起電鍍，采用低電流修復孔型參數，嚴禁填平；

③整板鍍銅采用VCP線制作控制線速及電流；控制面銅均勻性。

電鍍后數據收集，其銅厚為36.93～42.36 μm；平均值為39.42 μm，計算COV值2.48%。

（2）樹脂塞孔①→樹脂研磨①→樹脂塞孔②→樹脂研磨②

①樹脂塞孔①，采用鋁片真空塞孔；

②樹脂研磨采用陶瓷磨板，打磨孔口樹脂，每次均需更換面次朝向；

③樹脂塞孔②是盲孔樹脂塞孔，采用絲網真空塞孔。

樹脂研磨后數據收集，其銅厚為29.00 μm～36.87 μm；平均值為36.87 μm，計算COV值5.26%。

（3）PTH+POFV（POFV工藝）

PTH正常制作，POFV采用VCP電鍍制作控制線速及電流，控制銅面均勻性。同時滿足客戶最小POFV銅厚要求。

POFV電鍍后數據收集，銅厚為45.15～59.58 μm；平均值為53.01 μm，計算COV值6.27%。

2.2.3 蝕刻制作控制

前工序保證了銅面均勻性，基本就能保證其蝕刻精度保證線寬線距，PAD大小公差按±25.4 μm。其細節(jié)控制（同時也需監(jiān)控EA值與阻抗）如下。

（1）有微波雷達天線區(qū)域直角PAD的一面需朝下放板；

（2）首板100%檢測微波雷達天線區(qū)的所有線及焊盤，首件公差按±20 μm控制；過程中按10%抽檢；

（3）首/末件需要確認BGA區(qū)域的BGA大小和線寬。

2.2.4 天線區(qū)域精度分析

從數據看，微波雷達天線區(qū)域線寬線距公差及PAD大小公差均控制在±25.4 μm以內，符合客戶要求。由于天線區(qū)域線寬線距及PAD大小的原始設計值不一致，為分析其精度，先正常按要求測量，最后再減去標準值得到其實際公差值進行分析；由于數據有正有負，采用Johnson進行變換（如圖5所示）；選定最佳擬合的P值為0.005。通過制程能力分析（如圖6所示）看出，天線精度正態(tài)概率分布，概率分布P=0.056＞0.05，說明轉換后天線精度值滿足正態(tài)分布；且其過程能力分析可知，Cpk=1.63＞1.33，說明天線精度過程控制良好。銅厚均勻性控制上能滿足正常批量生產的要求。

圖5 微波雷達天線精度Johnson變換

圖6 微波雷達天線精度制程能力

2.3 天線區(qū)域PAD的EA管控

2.3.1 EA值測量方法

微波雷達天線板的外層蝕刻后對應的天線區(qū)域所有的外形圖形PAD有EA值控制要求。一旦EA值超出要求就會影響無線信號的傳輸和接受；嚴重情況下出現信號增益的問題。

為便于管控此類產品在實際生產過程中監(jiān)控，特制作規(guī)范——微波雷達天線位置EA值檢測標準（圖7）如下。

圖7 EA值標準測量示意圖

（1）采用金相顯微鏡物鏡放大200倍測量，測量時需凍結圖像；

（2）手動兩條基準線末端需緊貼天線區(qū)PAD最內側線頂位置，且長度需大于500 μm；

（3）測量基準線交點到PAD角最遠距離，重復測量三次（基準線不需重復），取最小值為天線區(qū)直角的EA值。

2.3.2 正常補償方式EA值控制

由于受傳統設計思維影響，一般PAD補償時均在工廠制程能力之內進行補償；由于有EA值管控要求，便再進行額外補償即可。

待板生產到蝕刻時，才發(fā)現不管怎么調整蝕刻參數（速度、噴淋壓力）與蝕刻方式（酸性蝕刻、堿性蝕刻）；在線寬線距及PAD公差都合格的情況下，其EA值均無法滿足客戶要求，直方圖分布如下（如圖8所示）。

圖8 優(yōu)化前的EA值直方圖

2.3.3 天線區(qū)域外層特殊補償方式

通過測試驗證，并不斷優(yōu)化設計、補償，最終確定采用特殊補償方式進行EA值控制生產制作（如圖9所示）；其制作方式如下。

圖9 微波雷達天線區(qū)域外層補償方式

（1）雷達微波區(qū)域先正常預大。

（2）EA值測量直角額外需特殊補償。補償規(guī)則為：直角為圓心，半徑為PAD短邊2/5距離為起點，

兩PAD邊均向外傾斜3°，其相交后與原PAD所圍成區(qū)域為EA值特殊補償區(qū)域。

從數據情況看，其EA值均控制在16 μm以下，符合客戶要求。通過制程能力分析（如圖10所示）看出，EA值正態(tài)概率分布可知，概率分布P=0.097＞0.05，說明天線區(qū)域EA值滿足正態(tài)分布；且其過程能力分析可知，Cpk=1.37＞1.33，說明EA過程控制良好。修改設計資料后滿足正常批量生產的要求。

圖10 優(yōu)化后微波雷達天線區(qū)域EA值 制程能力

前期客戶打樣時測量微波雷達能量峰值，增益差別在0.5 dB～2 dB之間，差別相當的大（2 dB）；而能量差別就高達一半左右，同時有信噪比差別也在3 dB左右。經過對EA的有效管控，再未出現雷達增益差別和信噪比低的問題，現此類產品客戶已經實現批量生產制作。

2.4 天線區(qū)域刮傷、擦花管控

雷達天線區(qū)外觀要求同樣特別嚴格，不接受修理。因而顯得尤為特殊（區(qū)域還有開窗大銅面）；過程中必須嚴防刮傷銅面及擦花金面。對于此類PCB都有專項應對，如：隔膠片、隔珍珠棉，或者插架及單獨搬運、輕拿輕放等等。

3 結論

（1）微波雷達天線板的整板電鍍/磨板/POFV鍍銅后的銅厚度分布均勻性基本上滿足COV值小于6.5%時,基本能確保PCB射頻微波線區(qū)域在蝕刻后滿足或接近±25.4 μm公差的線寬、線距及PAD大小控制要求。

（2）微波雷達天線區(qū)域通過EA值控制采用特殊補償方式進行制作，能有效控制EA≤18 μm。

（3）制定適當標準減少不必要的人為影響因素，也能有效改善品質，降低成本。

（4）通過同客戶溝通及反饋，沒有出現雷達增益差別和信噪比低的問題，說明特殊補償設計、過程控制及制定的天線位置EA值檢測標準，能滿足客戶對微波雷達天線印制電路板的性能要求。