精巧的雕刻機(jī)加速RF電路板樣品開發(fā)

一套便攜式的電路板雕刻機(jī)能夠在15分鐘以內(nèi)將一張覆銅板變成工作電路
桌面型電路板雕刻機(jī)的發(fā)展已經(jīng)使得機(jī)械式印制電路板加工變得更快，更安全，更便捷。各種具有特殊應(yīng)用的樣品板制作已經(jīng)成為可能。獨(dú)特的氣動(dòng)系統(tǒng)使得切割過程的控制更加精確，基材不易受損；這樣就使得在高敏感的PTFE基材上加工，比如RT/duroid，成為可能。

現(xiàn)代電路板雕刻機(jī)能夠加工的線路線寬可以精細(xì)到100µm。這些機(jī)器通常能夠達(dá)到5µm以下的重復(fù)精度，以保證細(xì)距結(jié)構(gòu)和高密度板的制作。另外一個(gè)重要的進(jìn)展是，轉(zhuǎn)速可以達(dá)到100000rpm的三相可調(diào)速電機(jī)的應(yīng)用。在如此高的轉(zhuǎn)速之下，切割工具的壽命得到了延長，更高的幾何精度成為可能。

這種精巧的雕刻機(jī)（圖1）能夠在任何高頻電子實(shí)驗(yàn)室或者制造工廠中使用。盡管它一開始只是為單層板設(shè)計(jì)的，現(xiàn)在它已經(jīng)能夠在層壓設(shè)備和孔化設(shè)備幫助下，制作多層板。一般而言，制作四層板或六層板只需要幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間。

圖1 精巧的桌面型電路板雕刻機(jī)能夠在PTFE基底的覆銅板上，高精度，高重復(fù)精度，快速準(zhǔn)確的制作樣品電路。

獲得先機(jī)
對于射頻無線通訊行業(yè)，上市周期和設(shè)計(jì)的完整性是非常關(guān)鍵的因素。對于那些希望快速有效的提供客戶解決方案的公司來說，這類桌面型的電路板雕刻系統(tǒng)使他們贏得先機(jī)。比起外發(fā)生產(chǎn)，利用機(jī)械銑的方式自行制作電路板，不僅能夠避免接觸有害的化學(xué)藥品，還能夠保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)不受侵害。那么和化學(xué)蝕刻的方式相比，銑制的電路到底有多好呢？哪一個(gè)方案的結(jié)果更與最初計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)的結(jié)果接近呢？與蝕刻法相比，銑制樣品的復(fù)制效果怎樣？為了能夠?qū)@兩種方法的優(yōu)劣做一個(gè)確切的比較，我們以同樣的材料（Rogers公司的0.5mm層壓4350基材，1盎司銅鉑的覆銅板），分別利用這兩種方法制作了微帶帶通濾波器樣品板。這個(gè)帶通濾波器采用了四極Butterworth設(shè)計(jì)，總帶寬400MHz，其中百分之八集中在5.25GHz。這種濾波器非常適用于國家信息基礎(chǔ)建設(shè)（NII）用接收機(jī)（Rxs）。隨著2.4GHz波段無繩電話和無線局域網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，5.2GHz和5.7GHz波段被認(rèn)為是下一代短距離通訊的中心波段。

圖2 我們選擇了一個(gè)用于無線通訊的5.2GHz波段四極帶通濾波器來比較機(jī)械銑制和化學(xué)蝕刻在制作樣品電路板時(shí)的優(yōu)劣。

來自Eagleware (Norcross, GA) 的M/FILTER以及Superstar線性分析程序被用來做設(shè)計(jì)和模擬。我們選擇了半波疊加傳輸線元件，因?yàn)樗鼈儾灰蟠蜻^孔接地。來自M/FILTER的分析數(shù)據(jù)預(yù)計(jì)該設(shè)計(jì)的中心頻率在5.2GHz，帶通范圍內(nèi)插入損耗小于2dB，回?fù)p為30dB。

圖3 這個(gè)濾波器的響應(yīng)分析使用了M/FILTER。

我們用兩種工藝，分別制作了濾波器（圖4），并對結(jié)果進(jìn)行了測量。實(shí)測結(jié)果顯示，第一中心頻率比設(shè)計(jì)中心頻率高了250MHz。盡管比預(yù)期的還要大，但是并不影響對兩種方法的比較。如果對設(shè)計(jì)的尺寸以及插入損耗進(jìn)行限制，這類濾波器的rejection特性就會(huì)變得越明顯。印刷諧振器的Unloaded質(zhì)量因子（Q）小于100。

圖4 使用了M/FILTER中的設(shè)計(jì)圖，分別用機(jī)械銑制和化學(xué)蝕刻方法制作了濾波器。

因此，如果定義一個(gè)小于10％的3-dB的帶寬，結(jié)果就會(huì)有超過3-dB的插入損耗。實(shí)際測量使用了來自Agilent技術(shù)公司（Santa Rosa, CA)的型號為8720C的自動(dòng)向量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）（圖5）。

圖5 機(jī)械方法和化學(xué)方法得到的電路板的測量值比較。

銑制電路的中心頻率更接近電腦預(yù)測值，而蝕刻電路的則略顯高了一些。實(shí)際上，用兩種方法得到的電路在表面上看并沒有明顯的差別。不過從顯微鏡下面觀察，我們可以發(fā)現(xiàn)，銑制電路和實(shí)際設(shè)計(jì)的偏差在+0.5 to +1.0 mil，而蝕刻電路在+2.0 to +5.0 mil之間。

銑制電路（圖6a）與原始設(shè)計(jì)圖符合得更好，所銑的線路更為方正，形狀與電磁 (EM)CAD的定義符合的更好。相較而言，蝕刻工藝得到的線路邊緣更為圓滑（圖6b）。對所有樣品，濾波器的帶寬都在規(guī)定的范圍內(nèi)，但是插入損耗（定義約在2dB）都比預(yù)期的大：銑制的為5dB，蝕刻的為3dB。

圖6 機(jī)械銑制的濾波器電路邊緣更為尖銳（a），棱角鮮明，化學(xué)蝕刻則不同（b）。

從M-FILTER 能夠?qū)С鯠XF文件，這個(gè)文件被用來生成雕刻機(jī)用的加工文件。銑制這個(gè)濾波器大約花了15分鐘時(shí)間，包括用內(nèi)置軟件處理數(shù)據(jù)的時(shí)間。而用蝕刻方法的板子，從外發(fā)到收到成品板需要5天的時(shí)間。這兩個(gè)樣品使用了同樣的材料（Roger 4350層壓板）用不同的工藝制作完成。最終測試結(jié)果表明，機(jī)械銑制電路與化學(xué)蝕刻所得電路在電氣性能上都與電磁分析軟件所給的結(jié)果非常接近。電磁模擬使用了Applied Wave Research (El Segundo, CA)的微波辦公軟件包。

這個(gè)項(xiàng)目最初希望回答的問題是，用機(jī)械方法銑制的樣品微波濾波器是否和使用化學(xué)蝕刻方法制得的濾波器等效。由于樣品板工作的目的是獲得一個(gè)令人滿意的設(shè)計(jì)，因此最重要是的電路能夠正常工作。盡管兩種途徑獲得的濾波器并不是在每一個(gè)方面都相同，但是它們都能滿足樣品板的一般要求。

更重要的差別是兩種方法所耗費(fèi)的時(shí)間。由于大多數(shù)的高頻設(shè)計(jì)總是反復(fù)再反復(fù)，能不能盡快的完成樣品板的制作，以便盡可能實(shí)時(shí)的改進(jìn)設(shè)計(jì)就尤顯重要了。如果每塊板子都要等上5天的時(shí)間，工程師將不得不把設(shè)計(jì)先擱在一邊了。對于某些時(shí)間很緊的項(xiàng)目來說，這可以成為一個(gè)大麻煩。

我們發(fā)現(xiàn)，銑制的線路能夠準(zhǔn)確反映CAD分析的結(jié)果，并且可以為大量生產(chǎn)時(shí)應(yīng)用蝕刻方法可能需要做的修正提出建議。綜合考慮以上內(nèi)容，設(shè)計(jì)者有理由相信，機(jī)械銑制方法在制作新的高頻元件的樣品電路方面與蝕刻方法一樣有效。