微波雷达印制电路板天线区品质控制探讨

罗家伟 黄 力 杨润伍 李 亮

（珠海方正科技高密电子有限公司，广东 珠海 519175）

0 前言

随着国家人工智能战略的发展,无人驾驶技术成为其中的热门方向,而毫米波雷达是无人驾驶技术中的重要辅助系统[1]。不仅如此，其运用领域非常广泛；汽车ADAS（Advanced Driving Assistance System）领域中智能驾驶雷达；智能交通领域中车速和流量检测雷达；停车场内道闸、车位检测雷达；机器人/无人船领域中规避雷达；无人机领域需规避雷达；工业应用中物位液位计等等。

天线作为雷达传感器的关键性器件，一方面需要尽可能多地把射频源的信号发射出去；另一方面需要使雷达波覆盖到合适的区域[2]。所以高频毫米波雷达天线印制电路板在其生产制作中，外层蚀刻后对应的微波雷达天线区域（见图1所示）所有的外形图形盘（PAD）要求非常严格，有EA值（见图2所示）控制要求（天线区域所有直角）。一旦EA值超出要求就会影响无线信号的传输和接收，严重情况下出现信号增益的问题。

图1 几类典型微波雷达天线区域图

图2 EA值控制示意图

为实际生产过程中便于管控此类产品，特别是工程设计、电镀、蚀刻要控制好相关参数确保EA值及线宽符合客户要求，同时其线宽及焊盘大小间距公差也需严格控制（按±25.4 μm控制）。本文从实际生产中遇到的困难并依此提出了一些改善方案。

1 涉及PCB技术特点

依据高频微波雷达天线板其工作频率高的特点，其在制作选材上一般偏向于高频微波材料；而其他层次对信号传输没有这么高要求，一般会选择普通FR4板材。因此其一个加工工艺特点为高频混压。

由于微波雷达天线区域一般均与CPU（中央处理器）相连，则PCB板一般有BGA（球栅阵列）设计；连接BGA与天线区域的关键线就显得尤为重要，同时为了节约空间，一般均采用激光盲孔设计网络屏蔽层及散热功能。涉及PCB加工工艺特点有通填HDI（高密度互连）盲孔与导通孔上连接盘（POFV）工艺。但其关键信号传输线与天线区域PAD公差需要严格控制在±25.4 μm；其重要的关键加工特点为：雷达天线精度管控。

微波雷达天线区域蚀刻后所有的PAD需要控制EA值；若EA值控制不好，则测量微波雷达能量峰值时出现信号增益大、能量差别高及信噪比低。其PCB加工工艺特点为：雷达天线区域PAD的EA管控。

微波雷达天线区域外观同样非常关键，生产过程中是不允许修理，此类关键区域有外观不良品质问题，基本只能选择报废处理。涉及PCB头疼的刮伤、擦花管控。

2 过程制作

2.1 高频混压

通过与客户沟通并了解，其高频微波雷达天线板其工作频率可高达24 GHz、77 GHz、79 GHz等不同频率。由于其频率高，波长短的特点，故而决定了雷达系统的射频前端和天线都需要使用高频微波材料。当综合考虑其成本及性能方面，我司选择价格适中且性价比极高的高频微波材料RO4835板材。同时了解到PCB板其他层次对信号传输并没有这么高要求，考虑成本及加工难度等因素，确认选择普通FR-4板材，如IT180A或S1000-2等高Tg板材。由于Rogers板材的特殊性能，增加了制作过程中的难度。制作过程中需控制最终产品板翘曲度需小于等于1%便于贴件。采用高频板与普通FR-4板材混压，两种板材不同的应力形变。为改善板曲的目的压合制作方法如下。

（1）压合排版时采用背靠背叠板（如图3所示）；同时使用全新牛皮纸缓冲提高树脂流动均匀性。

图3 压合排版方式

（2）压合后固化时间（＞190 ℃）大于100 min，使树脂能完全固化。

（3）压合冷压时间延长至120 min，有利于热应力逐步释放。

从数据收集情况看，板曲值均控制在1.0%以下；符合客户要求。通过制程能力分析（如图4所示），板曲正态概率分布P=0.213＞0.05，说明微波雷达天线区域EA值满足正态分布；且其过程能力分析可知，Cpk=1.41＞1.33，说明板曲过程控制良好。按此类压合方法制作高频混压板板曲完全满足正常批量生产的要求。

图4 板曲制程能力

2.2 微波雷达天线精度管控

微波雷达天线区域线宽线距均需按±25.4 μm控制；则外层完成铜厚需重点控制。由于外层激光孔和通孔一起电镀，且部分导通孔与盲孔全部树脂塞孔及研磨后并电镀填平，加大了均匀性变化系数（COV=平均值/标准偏差×100%）影响因素。

2.2.1 流程设计

前工序→压合→树脂研磨（除流胶）→MASK开窗→mask AOI→激光钻孔→plasma→AOI→钻孔→PTH+电镀→填孔电镀→整板镀铜→树脂塞孔①→树脂研磨→树脂塞孔②→树脂研磨→塞孔AOI→PTH+POFV（电镀塞孔）→外层图形→外层蚀刻→阻抗测试→外层AOI→后工序。

2.2.2 铜厚均匀性控制

从流程发现影响铜厚有三大段工序，制作工艺控制要求如下。

（1）PTH+电镀→填孔电镀→整板镀铜（通填HDI盲孔）

①PTH正常制作，电镀采用闪镀，一般镀铜厚5～8 μm；

②填孔电镀：通孔盲孔一起电镀，采用低电流修复孔型参数，严禁填平；

③整板镀铜采用VCP线制作控制线速及电流；控制面铜均匀性。

电镀后数据收集，其铜厚为36.93～42.36 μm；平均值为39.42 μm，计算COV值2.48%。

（2）树脂塞孔①→树脂研磨①→树脂塞孔②→树脂研磨②

①树脂塞孔①，采用铝片真空塞孔；

②树脂研磨采用陶瓷磨板，打磨孔口树脂，每次均需更换面次朝向；

③树脂塞孔②是盲孔树脂塞孔，采用丝网真空塞孔。

树脂研磨后数据收集，其铜厚为29.00 μm～36.87 μm；平均值为36.87 μm，计算COV值5.26%。

（3）PTH+POFV（POFV工艺）

PTH正常制作，POFV采用VCP电镀制作控制线速及电流，控制铜面均匀性。同时满足客户最小POFV铜厚要求。

POFV电镀后数据收集，铜厚为45.15～59.58 μm；平均值为53.01 μm，计算COV值6.27%。

2.2.3 蚀刻制作控制

前工序保证了铜面均匀性，基本就能保证其蚀刻精度保证线宽线距，PAD大小公差按±25.4 μm。其细节控制（同时也需监控EA值与阻抗）如下。

（1）有微波雷达天线区域直角PAD的一面需朝下放板；

（2）首板100%检测微波雷达天线区的所有线及焊盘，首件公差按±20 μm控制；过程中按10%抽检；

（3）首/末件需要确认BGA区域的BGA大小和线宽。

2.2.4 天线区域精度分析

从数据看，微波雷达天线区域线宽线距公差及PAD大小公差均控制在±25.4 μm以内，符合客户要求。由于天线区域线宽线距及PAD大小的原始设计值不一致，为分析其精度，先正常按要求测量，最后再减去标准值得到其实际公差值进行分析；由于数据有正有负，采用Johnson进行变换（如图5所示）；选定最佳拟合的P值为0.005。通过制程能力分析（如图6所示）看出，天线精度正态概率分布，概率分布P=0.056＞0.05，说明转换后天线精度值满足正态分布；且其过程能力分析可知，Cpk=1.63＞1.33，说明天线精度过程控制良好。铜厚均匀性控制上能满足正常批量生产的要求。

图5 微波雷达天线精度Johnson变换

图6 微波雷达天线精度制程能力

2.3 天线区域PAD的EA管控

2.3.1 EA值测量方法

微波雷达天线板的外层蚀刻后对应的天线区域所有的外形图形PAD有EA值控制要求。一旦EA值超出要求就会影响无线信号的传输和接受；严重情况下出现信号增益的问题。

为便于管控此类产品在实际生产过程中监控，特制作规范——微波雷达天线位置EA值检测标准（图7）如下。

图7 EA值标准测量示意图

（1）采用金相显微镜物镜放大200倍测量，测量时需冻结图像；

（2）手动两条基准线末端需紧贴天线区PAD最内侧线顶位置，且长度需大于500 μm；

（3）测量基准线交点到PAD角最远距离，重复测量三次（基准线不需重复），取最小值为天线区直角的EA值。

2.3.2 正常补偿方式EA值控制

由于受传统设计思维影响，一般PAD补偿时均在工厂制程能力之内进行补偿；由于有EA值管控要求，便再进行额外补偿即可。

待板生产到蚀刻时，才发现不管怎么调整蚀刻参数（速度、喷淋压力）与蚀刻方式（酸性蚀刻、碱性蚀刻）；在线宽线距及PAD公差都合格的情况下，其EA值均无法满足客户要求，直方图分布如下（如图8所示）。

图8 优化前的EA值直方图

2.3.3 天线区域外层特殊补偿方式

通过测试验证，并不断优化设计、补偿，最终确定采用特殊补偿方式进行EA值控制生产制作（如图9所示）；其制作方式如下。

图9 微波雷达天线区域外层补偿方式

（1）雷达微波区域先正常预大。

（2）EA值测量直角额外需特殊补偿。补偿规则为：直角为圆心，半径为PAD短边2/5距离为起点，

两PAD边均向外倾斜3°，其相交后与原PAD所围成区域为EA值特殊补偿区域。

从数据情况看，其EA值均控制在16 μm以下，符合客户要求。通过制程能力分析（如图10所示）看出，EA值正态概率分布可知，概率分布P=0.097＞0.05，说明天线区域EA值满足正态分布；且其过程能力分析可知，Cpk=1.37＞1.33，说明EA过程控制良好。修改设计资料后满足正常批量生产的要求。

图10 优化后微波雷达天线区域EA值 制程能力

前期客户打样时测量微波雷达能量峰值，增益差别在0.5 dB～2 dB之间，差别相当的大（2 dB）；而能量差别就高达一半左右，同时有信噪比差别也在3 dB左右。经过对EA的有效管控，再未出现雷达增益差别和信噪比低的问题，现此类产品客户已经实现批量生产制作。

2.4 天线区域刮伤、擦花管控

雷达天线区外观要求同样特别严格，不接受修理。因而显得尤为特殊（区域还有开窗大铜面）；过程中必须严防刮伤铜面及擦花金面。对于此类PCB都有专项应对，如：隔胶片、隔珍珠棉，或者插架及单独搬运、轻拿轻放等等。

3 结论

（1）微波雷达天线板的整板电镀/磨板/POFV镀铜后的铜厚度分布均匀性基本上满足COV值小于6.5%时,基本能确保PCB射频微波线区域在蚀刻后满足或接近±25.4 μm公差的线宽、线距及PAD大小控制要求。

（2）微波雷达天线区域通过EA值控制采用特殊补偿方式进行制作，能有效控制EA≤18 μm。

（3）制定适当标准减少不必要的人为影响因素，也能有效改善品质，降低成本。

（4）通过同客户沟通及反馈，没有出现雷达增益差别和信噪比低的问题，说明特殊补偿设计、过程控制及制定的天线位置EA值检测标准，能满足客户对微波雷达天线印制电路板的性能要求。