李 旋 吳傳亮 王運(yùn)玖 常玉兵

（深圳市深聯(lián)電路有限公司，廣東 深圳 518000）

0 前言

網(wǎng)絡(luò)正逐步向第五代移動通信技術(shù)推進(jìn)（5G），5G天線基站是實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的基礎(chǔ)，開發(fā)5G天線電路板的制作工藝將成為印制電路板（PCB）行業(yè)必不可少的發(fā)展趨勢。隨著信號傳遞的頻率和速率提升，天線基站移相器板提出了一個(gè)新的技術(shù)指標(biāo)-PIM。PIM，亦稱“無源互調(diào)”（Passive Inter Modulation），屬于一種信號失真。無源互調(diào)PIM是由天線發(fā)射系統(tǒng)中各種無源器件的非線性特性引起的。為保證高頻高速信號在傳遞過程中不失真就必須要保證低互調(diào)值，目前行業(yè)內(nèi)大多數(shù)企業(yè)將此PIM閥值定義為≤-160 dBc。由于5G信號傳遞的更高頻和更高速的特性，這會將信號傳遞的趨膚效應(yīng)進(jìn)一步放大，這就延伸出了對信號傳遞的載體（導(dǎo)線）外表面粗糙度的控制。即是說，要保證低互調(diào)值就必須降低信號趨膚效應(yīng)的影響，進(jìn)一步而言，就是需要把信號傳遞的載體（導(dǎo)線）外表面粗糙度控制在一定的范圍內(nèi)。由于按傳統(tǒng)PCB制作工藝制作的PCB板無法滿足低互調(diào)要求，為此筆者介紹此類產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中遇到的難點(diǎn)及解決方案。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與指標(biāo)

以移相器為例，移相器是基站天線的最重要的組成部分之一，利用移相器調(diào)節(jié)信號的相位，可以對基站天線波束的下傾角度起到靈活調(diào)節(jié)作用，以滿足覆蓋不同用戶區(qū)域的需求。目前絕大多數(shù)天線都是雙極化天線，因此至少需要兩個(gè)移相器，分別調(diào)節(jié)兩個(gè)極化方向上信號的相位，并且在調(diào)節(jié)相位時(shí)，必須保證兩個(gè)極化方向上相位的變化量是一致的。

移相器的線路圖形如圖1所示。

圖1 移相器線路板圖形

測試頻率為700 MHz、800 MHz、850 MHz、900 MHz，需滿足三階互調(diào)PIM≤-160 dBc。

2 影響因素與關(guān)鍵控制點(diǎn)

2.1 影響因素

根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)并查閱相關(guān)資料，總結(jié)PCB設(shè)計(jì)制造過程中對天線基站有PIM要求電路板制板影響較大的因素如下。

（1）導(dǎo)線外表面粗糙度?；诎宀墓?yīng)商提供的THE電解銅箔與RTF反轉(zhuǎn)銅箔的對比，優(yōu)先采用RT F 反轉(zhuǎn)銅箔材料，線路后切片對比，見圖2所示。

圖2 THE銅箔與RTF銅箔線路切片對比

RTF反轉(zhuǎn)銅箔貼合面（Ra＜0.7 μm，Rz＜3.5 μm），光面（Ra：1～2 μm，Rz＜5 μm），與THE電解銅箔相比，RTF反轉(zhuǎn)銅箔貼合面的粗糙度更優(yōu)。在制程中可對RTF反轉(zhuǎn)銅箔的光面適當(dāng)處理以保證較優(yōu)的粗糙度。

（2）電流密度的影響。PIM值受電流密度的影響與設(shè)計(jì)的電路有關(guān)，電流密度越小，其PIM性能越好。

（3）板材雜質(zhì)的影響。PCB不可含有Fe、Co、Ni等磁性元素。

（4）材料結(jié)構(gòu)的影響。盡量避免出現(xiàn)阻抗不連續(xù)性，盡可能保持一致的阻抗特性，選用低PIM的材料（如PTFE或PI材料）。

（5）表面處理的影響。由于化學(xué)沉錫表面處理優(yōu)異的平整度和傳輸信號衰減小的特點(diǎn)，在通訊板的表面處理上得到了廣泛的應(yīng)用，特別是PTFE天線材料的化學(xué)沉錫。表面處理采用沉錫是最優(yōu)選擇。沉錫鼠咬越小，PIM性能越好。表面油墨厚度越厚，PIM性能越好。

（6）信號線的影響。信號線越長，互調(diào)值越差?；フ{(diào)值與溫度呈反比，線寬縮小導(dǎo)致溫度升高，從而導(dǎo)致互調(diào)變差。因此，此類天線板設(shè)計(jì)的線寬較大，銅厚也較厚。

（7）孔粗的影響。孔粗越小，PIM性能表現(xiàn)越好。

2.2 關(guān)鍵控制點(diǎn)

經(jīng)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)合PIM控制的原理，從PIM測試的結(jié)果反推各制程的關(guān)鍵控制點(diǎn)，得出天線基站有PIM要求電路板制板的關(guān)鍵控制點(diǎn)，如表1所示。

表1 天線基站有PIM要求電路板制板的關(guān)鍵控制點(diǎn)

3 工藝難點(diǎn)與解決方案

3.1 電路制作難點(diǎn)與解決方案

3.1.1 工藝難點(diǎn)

（1）為避免信號的趨膚效應(yīng)影響，通常需要把線路的毛邊控制在極小的范圍內(nèi)，這就要求銅厚不能太高。

（2）為避免駐波和溫升對PIM的影響，此類移相器產(chǎn)品天線板的線寬設(shè)計(jì)較寬，銅厚設(shè)計(jì)較厚。就以銅厚而言，通常需要將銅厚控制在55～80 μm的范圍內(nèi)。

（3）行業(yè)內(nèi)大多數(shù)蝕刻線的蝕刻因子通常不會超過3.5，若是將銅厚控制在55～80 μm的范圍內(nèi)，線路的毛邊會達(dá)到20 μm以上，如圖3所示。

圖3 常規(guī)工藝制作線路

按常規(guī)工藝方法制作，線路毛邊超過20 μm，客戶端PIM調(diào)試不合格。所以，5G天線基站PCB的線路制作最關(guān)鍵的一點(diǎn)就是要在銅厚較厚的前提下同時(shí)控制線路毛邊在極小的范圍內(nèi)。

3.1.2 解決方案

經(jīng)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，在線寬常規(guī)補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上整體再加大補(bǔ)償12.5 μm，同時(shí)分兩次蝕刻制作。第一次蝕刻按銅厚對應(yīng)的常規(guī)蝕刻速度，第二次蝕刻將蝕刻機(jī)調(diào)到最大蝕刻速度7 m/min，可將線路毛邊控制極小的范圍內(nèi)。如圖4所示。

圖4 改進(jìn)工藝制作線路

按改進(jìn)工藝方法制作，線路毛邊不超過15 μm，保證了線寬在合格范圍內(nèi)，客戶端PIM調(diào)試合格。

3.2 銅面粗糙度控制與解決方案

3.2.1 工藝難點(diǎn)

（1）為避免信號的趨膚效應(yīng)的影響，必須把銅面粗糙度控制在一定的范圍內(nèi)；

（2）如何控制銅面粗糙度，行業(yè)內(nèi)無可參考的工藝方法。

3.2.2 解決方案

經(jīng)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，成功開發(fā)出了一套最優(yōu)化的銅面粗糙度控制方法。方案具體如下：

（1）從選材方面考慮，RTF銅箔PTFE板材是最優(yōu)選擇。

（2）制作線路前采用高目數(shù)（1200目及以上）磨刷機(jī)械磨板，控制磨板電流參數(shù)在2.2～2.5 A范圍內(nèi)，橫豎各磨一次，保證橫豎磨板時(shí)壓力一致，可在保證板材性能不受影響的前提下，同時(shí)有效地降低銅面粗糙度。

（3）線路和阻焊前處理采用表2最優(yōu)組合方式制作，對比不同前處理對銅面的處理效果以及對銅面粗糙度的影響。

表2 不同工藝方法對比

對比上表試驗(yàn)方案和對應(yīng)結(jié)果，有如下分析和結(jié)論。

（1）對比粗糙度和PIM測試結(jié)果，工藝方法1是最優(yōu)方案，但工藝方法1沉錫后局部出現(xiàn)掉油品質(zhì)異常，其原因是線路和阻焊均采用化學(xué)前處理無法處理干凈板面，會有水印和污漬殘留，導(dǎo)致阻焊與銅面結(jié)合力不夠。

（2）工藝方法1沉錫后掉油，品質(zhì)良率較低，工藝方法三PIM測試不合格。綜合考慮，工藝方法2為最優(yōu)方案。

綜上所述，最優(yōu)化銅面粗糙度控制方法為：開料（采用RTF銅箔PTFE板材）——磨板（控制磨板電流參數(shù)）——線路（前處理采用噴砂+化學(xué)前處理）——阻焊（前處理采用超粗化）。

3.3 焊接調(diào)試難點(diǎn)與解決方案

3.3.1 工藝難點(diǎn)

焊接是影響PIM性能表現(xiàn)一個(gè)極為重要的影響因素，焊接方式、順序、焊接錫厚、應(yīng)力殘留等都會對PIM性能表現(xiàn)產(chǎn)生很大的影響。

3.3.2 解決方案

經(jīng)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，最優(yōu)化的焊接調(diào)試焊接順序如下。參考移相器組裝測試示意圖，如圖5所示）（1）先固定端子（焊SS面）；（2）使用紐扣固定滑片；（3）滑片卡住PCB；（4）焊接鉚釘帽，需將CS/SS兩面進(jìn)行焊接；（5）裝上治具穿入電纜；（6）先焊外導(dǎo)體，再焊內(nèi)導(dǎo)體。

圖5 移相器組裝測試圖

4 總結(jié)

從天線基站系統(tǒng)中PIM產(chǎn)生的原理出發(fā)，總結(jié)了PCB制程中影響PIM較大的因素，闡明了導(dǎo)線外表面粗糙度、電流密度、板材雜質(zhì)、材料、表面處理、信號線和孔粗對PIM的影響。

并以此為基礎(chǔ)，以測試的結(jié)果反推出PCB各制程的關(guān)鍵控制點(diǎn)及控制要求，詳述了PCB中線路、孔粗、表面處理、材料和表面粗糙度的關(guān)鍵控制點(diǎn)及控制要求，并針對PCB制程工藝和焊接調(diào)試的難點(diǎn)給出了相應(yīng)的解決方案。