CN114423186B - 雷达天线pcb制作工艺及其天线图形制作工艺与应用 - Google Patents

Abstract

本方案属于印刷电路基板技术领域，公开了雷达天线PCB制作工艺及其天线图形制作工艺与应用。其中天线图形制作工艺包括步骤：层压‑化学减铜‑钻孔‑无电化学铜‑图形转移‑图形电镀‑褪干膜‑褪底铜。采用本方案制作的天线图形的图形精准度高、线宽线隙公差小、零侧蚀、无线路残铜和凹痕、天线棱角接近直角，提高了PCB的探测性能和良率，尤其适合应用于77GHz毫米波雷达传感器PCB制造。

Description

雷达天线PCB制作工艺及其天线图形制作工艺与应用

技术领域

本方案属于印刷电路基板技术领域，具体涉及一种雷达天线PCB制作工艺及其天线图形制作工艺与应用。

背景技术

由于世界各国的汽车安全标准、汽车电子化水平不断提高以及人们对驾驶安全需求不断增长，具备主动安全技术的高级驾驶辅助系统（ADAS）呈现快速发展的势头。传感器技术是汽车电子的关键核心技术之一，各种传感器技术的创新发展为主动安全提供了技术可行性，汽车微波/毫米波雷达传感器正是实现该功能的核心部件之一。微波/毫米波雷达是利用目标对电磁波反射来发现目标并测定其位置的。毫米波频率高、波长短，一方面可缩小从天线辐射的电磁波射束角幅度，从而减少由于不需要的反射所引起的误动作和干扰，另一方面由于多普勒频移大，相对速度的测量精度高。在汽车主动安全领域，汽车微波/毫米波雷达传感器因为能够全天候工作，不受光线、雾霾、沙尘暴等恶劣天气的影响，已成为业界公认的主流选择，拥有巨大的市场需求，因而也是汽车电子厂商当前的主要研发方向。

目前市场主流使用的车载毫米波雷达按照其频率的不同，主要可分为两种：24GHz毫米波雷达和77GHz毫米波雷达。通常24GHz毫米波雷达检测范围为中短距离，用于实现盲点监测和变道辅助（BSD、LCA）等功能，而77GHz毫米波雷达检测范围为长程，用于实现自适应巡航（ACC）、自动紧急制动（AEB）等功能。其中，77GHz毫米波雷达具有如下优势：

1）77GHz毫米波雷达的体积更小。24GHz毫米波雷达和77GHz毫米波雷达的性能及算法其实相差不远，更主要的差距还是在雷达体积上。由于24GHz雷达的频率更低波长更长，因此雷达所需要的天线就更长，做成小体积雷达的难度就更高，因此24GHz毫米波雷达会比77GHz毫米波雷达的体积更大，在追求美观与轻量化的车载领域体积是个关键问题。

2）77GHz毫米波雷达的检测精度更好。相比于24GHz雷达，77GHz雷达的波长只有24GHz毫米波雷达波长的三分之一，虽然绕射能力比24GHz雷达要弱，但是其检测精度是24GHz毫米波雷达3倍。因此未来对于检测精度精益求精的自动驾驶来说，77GHz毫米波雷达无疑更具有一定优势。

3）毫米波雷达传感器与红外、激光、摄像头等光学传感器相比，毫米波雷达穿透雾、烟、灰尘的能力强，具有全天候全天时的特点，因此77GHz毫米波雷达是汽车电子厂商当前和未来的主要发展方向。

毫米波雷达构造主要包括天线、接收和发射系统、信号处理系统，其中接收和发射系统芯片、天线PCB是毫米波雷达的硬件核心。77GHz毫米波雷达最大的制造难度体现在其工艺上，由于体积小，其线路板的面积很小，因此射频线路的设计和加工难度非常高，生产PCB的成品率比较低，制作成本高。

传统的蚀刻工艺：

1. 正片蚀刻：是在层压板的基铜上通过机械钻孔和镭射钻盲孔、表面除沾污、无电沉铜、板面电镀使孔金属化，再通过图形转移、图形电镀加厚孔壁及其周围表面铜厚、蚀刻形成天线图形，具体流程为：内层开料→内层图形转移→内层蚀刻→AOI检查→氧化→压板→切板边→打管位孔→表面减铜→机械钻孔/镭射钻孔→磨板/除胶→化学沉铜/板面电镀→图形转移→图形电镀→褪膜→蚀刻→褪锡→外层中检→绿油→锣板→电测试→AVI→FQC→表面处理→FQA→包装。

2. 负片蚀刻：是在层压板的基铜上通过机械钻孔和镭射钻盲孔、表面除沾污、无电沉铜使孔金属化、板面电镀，2次板面电镀加厚铜，再通过图形转移（负片曝光），蚀刻形成天线图形。

该工艺制作的77GHz雷达天线多层线路板存在如下缺陷：

1）线路侧蚀（undercut）。目前PCB蚀刻图形主要采用碱性溶液蚀刻，碱性蚀刻具有稳定性，安全性，蚀刻速率快，蚀刻因子大等特点，但湿法蚀刻侧蚀是不可避免的。

2）线宽均匀性差。由于受铜厚不均匀影响，蚀刻时会产生不同程度的侧蚀，从而影响线宽均匀性（图7）。

3）图形精度不高。由于湿法蚀刻的水池效应，方形铜片（PAD）的外角和内角都会有不同程度弧度（图9）。

天线PCB的性能对于这些雷达系统来说至关重要，影响雷达传感器性能的PCB因素主要有射频材料的DK、层间对准度、图形精度、天线位线宽线隙、铜厚、蚀刻因子等参数指标。因此，如果天线PCB的图形精度差，天线线宽线隙公差大，蚀刻侧蚀（undercut）大，将会影响雷达传感器系统的探测性能。

由此，有必要开发新的天线PCB制作工艺。

发明内容

鉴于此，本方案旨在克服现有技术中的至少一种不足，提供一种雷达天线PCB的天线图形制作工艺，解决侧蚀和EA问题，以便制作精度要求更高的天线PCB，达到传统蚀刻工艺难以企及的品质和性能要求。

为了解决上述技术问题，采取下述技术方案：

第一方面，雷达天线PCB的天线图形制作工艺，包括如下步骤：

层压：将外层铜箔、半固化片和内层芯板按电路板结构堆叠层压形成多层电路板；

化学减铜：将外层铜箔的厚度减至1/8oz；

钻孔：钻出所有通孔和盲孔；

无电化学铜：将通孔和盲孔金属化；

图形转移：在1/8oz外层铜箔上贴干膜，通过曝光显影露出天线和线路区域的1/8oz外层铜箔，使干膜只覆盖非电镀区域的1/8oz外层铜箔；

图形电镀：在天线和线路区域的外层铜箔、通孔和盲孔上电镀加厚铜；

褪干膜：褪去干膜，露出非电镀区域的1/8oz外层铜箔；

褪底铜：将非电镀区域的1/8oz外层铜箔用微蚀液蚀掉。

本实方案采用非蚀刻的方法，在压板后通过化学减铜的方法将外层铜箔减厚到1/8oz，然后通过图形电镀把天线直接电镀在1/8oz薄的外层铜箔上，再通过微蚀褪去非电镀区域的1/8oz外层铜箔（底铜），从而得到天线图形。所得雷达天线图形精准度高，线宽线隙公差小，侧蚀（undercut）小，无线路残铜和凹痕，天线棱角接近直角，提高了PCB的探测性能和良率，确保PCB品质，减少因PCB因素影响雷达系统性能，保证雷达系统传输信号的完整性。

第二方面，雷达天线PCB的天线图形制作工艺在制作雷达传感器上的应用，即采用雷达天线PCB的天线图形制作工艺制作雷达传感器，该天线图形制作工艺由本方案的第一方面提供，由于其制作出的雷达天线具有上述优势，适合应用于制作毫米波雷达传感器，尤其适合应用于制作77GHz毫米波雷达传感器。

第三方面，雷达天线PCB制作工艺，包括：

内层电路制作，制得内层芯板电路；

外层天线制作，制得外层天线图形（详见第一方面，此处不再赘述）；以及

后制程。

本方案与现有技术相比较有如下有益效果：

采用本方案制作的雷达天线PCB图形精准度高、线宽线隙公差小、侧蚀（undercut）小、天线棱角接近直角，提高了PCB的探测性能和良率，确保PCB品质，减少因PCB因素影响雷达系统性能，保证雷达系统传输信号的完整性，尤其适合应用于制作77GHz毫米波雷达传感器。

附图说明

附图仅用于示例性说明，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸。

图1是第二代77GHz毫米波雷达天线的平面设计图。

图2是第二代77GHz毫米波雷达天线单元结构图（图1中A部的局部放大图）。

图3是第二代77GHz毫米波雷达天线单元设计图（图1中A部的局部放大尺寸图）。

图4是本方案的天线图形制作工艺流程图。

图5是传统的天线图形制作工艺流程图。

图6是本方案按图3设计尺寸制得天线图形的显微镜照片。

图7是本方案与传统工艺制得天线图形的侧蚀（undercut）状况对比。其中，a是本方案的电镀的天线图形，b是传统的湿法蚀刻天线图形。

图8是实际制得天线图形与天线设计图的EA（Sharp Conner）对比。其中，a是天线设计图（图1中B部的局部放大图），b是传统的湿法蚀刻天线图形，c是本方案的电镀的天线图形。

图9是侧蚀（undercut）对77GHz雷达天线毫米波倾斜角的影响（倾斜角越接近0，天线性能越好）。

图10是EA（Sharp Conner）对77GHz雷达天线毫米波倾斜角的影响。

图11是内层电路制作工艺流程图。

图12是后制程工艺流程图。

具体实施方式

为了让本领域的技术人员更好地理解本方案的技术方案，下面结合具体实施例对本方案做进一步详细说明。实施例中所使用的工艺方法如无特殊说明，均为常规方法；所用的材料，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

近年来随着信号处理和毫米波技术的突飞猛进发展，雷达产品逐渐在民用市场上得到推广，毫米波雷达作为唯一的可以“全天候全天时”工作的传感器，是实现汽车辅助驾驶及自动驾驶不可缺少的核心传感器，也是无人机、安防、智能交通、军工领域不可或缺的传感器。据市场研究机构预测，随着高级驾驶辅助系统（ADAS）的广泛应用，汽车微波/毫米波雷达传感器市场的年均增长率将高达23%，由此将带来相应天线PCB（尤其是77GHz毫米波雷达天线PCB）的巨大需求，因此，开发一种精度高的制作工艺将具有巨大商业价值。

随着市场需求的不断提高，第二代77GHz毫米波雷达加速研发和应用，与之相匹配的第二代77GHz毫米波雷达天线PCB需求也相应增加。第二代毫米波雷达将向着小巧轻便、探测远、性能稳定、探测精度高的方向发展，对PCB的品质要求也更加严格，相应PCB的尺寸缩小，孔径、线宽线隙减小，增加了PCB加工难度。因此，需要开发新的制作工艺解决传统的蚀刻工艺难以解决的品质要求。

第二代77GHz毫米波雷达天线为微带阵列天线，如图1所示，由于微带馈线与微带铜片阵元共面，加工时可以一起蚀刻而成，因此对微带阵列单元采用微带线进行馈电十分方便。馈电结构采用微带线对宽边中央馈电，馈线与铜片（PAD）在同一平面，如图2所示，在铜片201上开宽度为Sw的槽，将馈线202伸入铜片中间进行馈电。Sl为馈电点与铜片边缘的距离，Sw为开槽宽度，通过调节Sl与Sw的尺寸可以改变微带天线的输入阻抗，实现阻抗匹配。

为了达到天线性能最佳，如图3所示，微带天线的馈线线宽一般采用0.124mm、馈线到槽边的距离采用0.10mm设计，那么PCB加工时为了兼顾孔内25μm铜厚，一般表面铜厚至少要达到38μm。

由于传统的DES、SES蚀刻受蚀刻温度、浓度、pH值、蚀刻因子和水池效应影响，对于0.124mm线宽0.10mm线隙很难精准地蚀出线宽线隙图形，以及天线PAD的内外棱角很难被蚀成直角，从而会影响雷达传感器性能。

为了解决这个问题，本实施例提出一种通过使用加法（电镀方法）而不是减法（蚀刻方法）来形成天线的雷达天线PCB的天线图形制作工艺，可以被命名为改良的蚀刻加成工艺（Modified Etch Additive Process）。

如图4所示，该工艺包括：

S201. 层压：将外层铜箔、半固化片和内层芯板按电路板结构堆叠层压形成多层电路板；

S202. 化学减铜：将外层铜箔的厚度减至1/8oz；

S203. 钻孔：钻出所有通孔和盲孔；

S204. 无电化学铜：将通孔和盲孔金属化；

S205. 图形转移：在1/8oz外层铜箔上贴干膜，通过曝光显影露出天线和线路区域的1/8oz外层铜箔，使干膜只覆盖非电镀区域的1/8oz外层铜箔；

S206. 图形电镀：在天线和线路区域的1/8oz外层铜箔、通孔和盲孔上电镀加厚铜；

S207. 褪干膜：褪去干膜，露出非电镀区域的1/8oz外层铜箔；

S208. 褪底铜：将非电镀区域的1/8oz外层铜箔用微蚀液蚀掉。

步骤S201中，内层芯板是指制作有内层线路的PCB板；半固化片（PP片）是制作多层PCB板的黏结片，在本实施例中用于将外层铜箔与内层芯板通过热压制程黏结在一起。

步骤S202中，化学减铜是利用化学蚀铜剂将厚的铜箔均匀的蚀成需要的铜厚。因为成本和品质原因，对于本方案需要的1/8oz底铜，先用1/2oz 铜箔层压，层压后通过减铜减到需要的1/8oz铜厚，而现有技术通常不会在层压后进行化学减铜到1/8oz铜厚的操作。

步骤S203中，钻孔过程为通过机械钻和镭射钻钻孔，具体是通过机械钻钻出盲孔和通孔，通过镭射钻出镭射盲孔。

步骤S204中，通过无电化学铜将通孔和盲孔金属化到要求的铜厚。其中无电化学铜（化学镀铜或化学沉铜）是指铜离子自溶液中被还原剂还原为金属铜形成金属镀层的过程，利用还原剂在催化剂的作用下引发化学反应使金属铜离子从溶液被还原成金属铜沉积出来。现有的孔金属化技术通常需要由化学镀铜和黑孔化（直接电镀）两种工艺过程来实现，而本步骤只通过无电化学铜将通孔和盲孔金属化，无电化学铜后直接做图形转移，不做板面电镀。

步骤S205中，图形转移采用的干膜为感光膜（印感光油，不适合密线PCB制作，只用作后制程的防焊和文字）。

步骤S206中，图形电镀的第一步在镀孔电镀线把盲孔和通孔内的无电化学铜加厚防氧化，第二步为镀天线和线路图形，并将通孔/盲孔加厚镀到成品要求的铜厚。雷达天线PCB的盲孔设计主要起屏蔽作用，防止毫米波信号的串扰，图形电镀分两步并先镀盲孔和通孔，可以防止盲孔/通孔内铜薄或孔内无铜，保证盲孔可以起到应有的作用。图形电镀后不需要镀锡，相应地，褪干膜后不需要蚀刻和褪锡。

本实施例采用非蚀刻的方法，在压板后通过化学减铜的方法将外层铜箔减厚到1/8oz，然后通过图形电镀把天线直接电镀在1/8oz薄的外层铜箔上，再通过微蚀褪去非电镀区域的1/8oz外层铜箔（底铜），从而得到天线图形。其与传统的雷达天线PCB的天线图形制作工艺（如图5所示）的不同主要在于：

a) 传统的天线图形制作工艺直接用1/2oz或1/4oz的外层铜箔进行层压，未采用化学减铜，而本实施例在层压后增加了化学减铜的步骤，将底铜减至1/8oz，以便于后序褪去底铜。

b) 传统的天线图形制作在无电化学铜后通过板面电镀加厚通孔和盲孔孔壁铜厚，而本实施例为保持底铜1/8oz厚度，未进行板面电镀步骤。

c) 传统的天线制作工艺中的天线图形需要通过碱性蚀刻（褪膜-蚀刻-褪锡，SES）或酸性蚀刻（显影-蚀刻-褪膜，DES）得到，而本实施例是通过微蚀液褪掉底铜（1/8oz外层铜箔）得到天线图形，不需要进行碱性蚀刻（褪膜-蚀刻-褪锡，SES）或酸性蚀刻（显影-蚀刻-褪膜，DES）步骤，其优势在于避免碱性蚀刻或酸性蚀刻的水池效应，改善侧蚀和EA（SharpConner），提高天线图形公差精度。

对比天线设计尺寸（图3）与采用本实施例制得天线图形的实际测量尺寸（图6）可以发现，其图形精准度高，线宽线隙公差小，侧蚀（undercut）小，无线路残铜和凹痕，天线棱角接近直角，提高了PCB的探测性能和良率，确保PCB品质，减少因PCB因素影响雷达系统性能，保证雷达系统传输信号的完整性。可应用于制作雷达传感器，包括微波、毫米波、超声波、激光、红外和摄像头雷达传感器。更适用于制作毫米波雷达传感器，尤其适合应用于制作77GHz毫米波雷达传感器。其中，通过天线设计尺寸与实际测量尺寸测算得到的各项指标如表1所示。

表1 天线设计尺寸与实际测量尺寸的测算指标

图形精准度	100%
		线宽线隙公差	+/-10 μmm
侧蚀（undercut）	<5um
		线宽CPK	>1.33
馈线和PAD侧边平整度（LD）	0
		天线PAD的内外角棱角（EA）	0（棱角90度时EA为0）

通过图7的对比可以进一步看出，传统湿法蚀刻形成的天线图形存在侧蚀，而采用本实施例制作的天线图形侧蚀比传统蚀刻天线小得多；由图8可以看出，传统湿法蚀刻天线图形的内外棱角呈弧形，而本实施例电镀天线图形的内外棱角呈直角。由图9~10可知，侧蚀（undercut）和EA（Sharp Conner）都会影响77GHz雷达天线毫米波倾斜角，因而侧蚀（undercut）和EA（Sharp Conner）的改善将有助于提升雷达传感器系统的探测性能。

本实施例提出的雷达天线PCB的天线图形制作工艺尤指制作形成雷达天线图形（包括同层馈线、相关通孔和盲孔）的工艺过程，而不是指雷达天线PCB的整个制作工艺。

雷达天线PCB的完整制作流程还包括在天线图形制作工艺前进行的内层电路制作工艺和在天线图形制作工艺后进行的后制程工艺。

如图11所示，内层电路制作工艺包括如下步骤：

S101. 开料：裁切具有需要尺寸的内层铜箔的覆铜板；

S102. 图像转移：在内层铜箔上贴干膜，露出非电路区域的内层铜箔，使干膜只覆盖电路区域的内层铜箔；

S103. 内层蚀刻：将非电路区域的内层铜箔蚀刻掉，形成内层线路；

S104. 褪膜：将电路区域的干膜褪去，露出内层线路；

S105. 冲孔：CCD对位冲出压板管位孔；

S106. 氧化：将内层线路进行氧化处理。

步骤S102中，图形转移采用光化学法，即干膜具体为感光膜。

步骤S105中，CCD指的是CCD自动对位系统。

步骤S106中，氧化处理为棕化/黑化，用于增加铜面与树脂的粘结力。

如图12所示，后制程工艺包括如下步骤：

S301. AOI：用自动光学检测仪（AOI）检测外层天线图形是否存在缺陷；

S302. 防焊：在雷达天线PCB表面印刷阻焊油；

S303. 锣板：用锣板机将雷达天线PCB锣成形；

S304. 电测试：对锣板后的雷达天线PCB进行电性能测试；

S305. AVI：采用PCB外观检查机（AVI）对成形的雷达天线PCB进行检测；

S306. FQC：对雷达天线PCB进行出货检查（FQC）；

S307. 表面处理：对雷达天线PCB进行要求的表面处理（OSP/沉锡/沉银处理）；

S308. FA：对雷达天线PCB进行最终检查；

S309. 包装：对雷达天线PCB进行包装。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本方案所作的举例，而并非是对本方案的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本方案的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本方案权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.雷达天线PCB的天线图形制作工艺，其特征在于，包括如下步骤：

S201层压：将外层铜箔、半固化片和内层芯板按电路板结构堆叠层压形成多层电路板；

S202化学减铜：将所述外层铜箔的厚度减至1/8oz；

S203钻孔：钻出所有通孔和盲孔；

S204无电化学铜：将所述通孔和盲孔金属化；

S205图形转移：在1/8oz外层铜箔上贴干膜，通过曝光显影露出天线和线路区域的1/8oz外层铜箔，使干膜只覆盖非电镀区域的1/8oz外层铜箔；

S206图形电镀：在天线和线路区域的1/8oz外层铜箔、通孔和盲孔上电镀加厚铜；

S207褪干膜：褪去干膜，露出非电镀区域的1/8oz外层铜箔；

S208褪底铜：将非电镀区域的1/8oz外层铜箔用微蚀液蚀掉；

步骤S204~S205中，无电化学铜后直接做图形转移，不做板面电镀；步骤S206~S208中，图形电镀后不需要镀锡，褪干膜后不需要褪锡，直接褪底铜。

2.根据权利要求1所述的雷达天线PCB的天线图形制作工艺，其特征在于，步骤S203中，通过机械钻和镭射钻钻孔。

3.根据权利要求1所述的雷达天线PCB的天线图形制作工艺，其特征在于，步骤S205中，所述干膜为感光膜。

4.根据权利要求1所述的雷达天线PCB的天线图形制作工艺，其特征在于，步骤S206中，图形电镀的第一步在镀孔电镀线把盲孔和通孔内的无电化学铜加厚防氧化，第二步为镀天线和线路图形，并将通孔/盲孔加厚镀到成品要求的铜厚。

5.雷达天线PCB制作工艺，其特征在于，包括：

S1内层电路制作，制得内层芯板电路；

S2外层天线制作，采用如权利要求1-4任一项所述工艺制得外层天线图形；

S3后制程。

6.根据权利要求5所述的雷达天线PCB制作工艺，其特征在于，所述内层电路制作包括如下步骤：

开料：裁切具有需要尺寸的内层铜箔的覆铜板；

图像转移：在所述内层铜箔上贴干膜，通过显影露出非电路区域的所述内层铜箔，使所述干膜只覆盖电路区域的所述内层铜箔；

内层蚀刻：将非电路区域的所述内层铜箔蚀刻掉，形成内层线路；

褪膜：将电路区域的所述干膜褪去，露出所述内层线路；

冲孔：CCD对位冲出压板管位孔；

氧化：将所述内层线路进行氧化处理。

7.根据权利要求5所述的雷达天线PCB制作工艺，其特征在于，所述后制程包括如下步骤：

AOI：用自动光学检测仪检测外层天线图形是否存在缺陷；

防焊：在雷达天线PCB表面印刷阻焊油；

锣板：用锣板机将雷达天线PCB锣成形；

电测试：对锣板后的雷达天线PCB进行电性能测试；

AVI：采用PCB外观检查机对成形的雷达天线PCB进行检测；

FQC：对雷达天线PCB进行出货检查；

表面处理：对雷达天线PCB进行表面处理；

FA：对雷达天线PCB进行最终检查；

包装：对雷达天线PCB进行包装。

8.根据权利要求7所述的雷达天线PCB制作工艺，其特征在于，所述表面处理步骤中的表面处理为OSP、沉锡或沉银处理。

9.一种雷达传感器，其特征在于，采用如权利要求1~4任一项所述雷达天线PCB的天线图形制作工艺制作而成。

10.根据权利要求9所述的雷达传感器，其特征在于，所述雷达传感器为77GHz毫米波雷达传感器。

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