精巧的雕刻機加速RF電路板樣品開(kāi)發(fā)

一套便攜式的電路板雕刻機能夠在15分鐘以?xún)葘⒁粡埜层~板變成工作電路
桌面型電路板雕刻機的發(fā)展已經(jīng)使得機械式印制電路板加工變得更快，更安全，更便捷。各種具有特殊應用的樣品板制作已經(jīng)成為可能。獨特的氣動(dòng)系統使得切割過(guò)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。

現代電路板雕刻機能夠加工的線(xiàn)路線(xiàn)寬可以精細到100µm。這些機器通常能夠達到5µm以下的重復精度，以保證細距結構和高密度板的制作。另外一個(gè)重要的進(jìn)展是，轉速可以達到100000rpm的三相可調速電機的應用。在如此高的轉速之下，切割工具的壽命得到了延長(cháng)，更高的幾何精度成為可能。

這種精巧的雕刻機（圖1）能夠在任何高頻電子實(shí)驗室或者制造工廠(chǎng)中使用。盡管它一開(kāi)始只是為單層板設計的，現在它已經(jīng)能夠在層壓設備和孔化設備幫助下，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能夠在PTFE基底的覆銅板上，高精度，高重復精度，快速準確的制作樣品電路。

獲得先機
對于射頻無(wú)線(xiàn)通訊行業(yè)，上市周期和設計的完整性是非常關(guān)鍵的因素。對于那些希望快速有效的提供客戶(hù)解決方案的公司來(lái)說(shuō)，這類(lèi)桌面型的電路板雕刻系統使他們贏(yíng)得先機。比起外發(fā)生產(chǎn)，利用機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，還能夠保護知識產(chǎn)權不受侵害。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)方案的結果更與最初計算機輔助設計(CAD)的結果接近呢？與蝕刻法相比，銑制樣品的復制效果怎樣？為了能夠對這兩種方法的優(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設計，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建設（NII）用接收機（Rxs）。隨著(zhù)2.4GHz波段無(wú)繩電話(huà)和無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展，5.2GHz和5.7GHz波段被認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(wú)線(xiàn)通訊的5.2GHz波段四極帶通濾波器來(lái)比較機械銑制和化學(xué)蝕刻在制作樣品電路板時(shí)的優(yōu)劣。

來(lái)自Eagleware (Norcross, GA) 的M/FILTER以及Superstar線(xiàn)性分析程序被用來(lái)做設計和模擬。我們選擇了半波疊加傳輸線(xiàn)元件，因為它們不要求打過(guò)孔接地。來(lái)自M/FILTER的分析數據預計該設計的中心頻率在5.2GHz，帶通范圍內插入損耗小于2dB，回損為30dB。

圖3 這個(gè)濾波器的響應分析使用了M/FILTER。

我們用兩種工藝，分別制作了濾波器（圖4），并對結果進(jìn)行了測量。實(shí)測結果顯示，第一中心頻率比設計中心頻率高了250MHz。盡管比預期的還要大，但是并不影響對兩種方法的比較。如果對設計的尺寸以及插入損耗進(jìn)行限制，這類(lèi)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中的設計圖，分別用機械銑制和化學(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，結果就會(huì )有超過(guò)3-dB的插入損耗。實(shí)際測量使用了來(lái)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(méi)有明顯的差別。不過(guò)從顯微鏡下面觀(guān)察，我們可以發(fā)現，銑制電路和實(shí)際設計的偏差在+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）與原始設計圖符合得更好，所銑的線(xiàn)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(xiàn)路邊緣更為圓滑（圖6b）。對所有樣品，濾波器的帶寬都在規定的范圍內，但是插入損耗（定義約在2dB）都比預期的大：銑制的為5dB，蝕刻的為3dB。

圖6 機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 能夠導出DXF文件，這個(gè)文件被用來(lái)生成雕刻機用的加工文件。銑制這個(gè)濾波器大約花了15分鐘時(shí)間，包括用內置軟件處理數據的時(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。最終測試結果表明，機械銑制電路與化學(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)項目最初希望回答的問(wèn)題是，用機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(mǎn)意的設計，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(mǎn)足樣品板的一般要求。

更重要的差別是兩種方法所耗費的時(shí)間。由于大多數的高頻設計總是反復再反復，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)設計就尤顯重要了。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計先擱在一邊了。對于某些時(shí)間很緊的項目來(lái)說(shuō)，這可以成為一個(gè)大麻煩。

我們發(fā)現，銑制的線(xiàn)路能夠準確反映CAD分析的結果，并且可以為大量生產(chǎn)時(shí)應用蝕刻方法可能需要做的修正提出建議。綜合考慮以上內容，設計者有理由相信，機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。