李民善 紀成光 袁繼旺（東莞生益電子有限公司，廣東 東莞 523127）

PCB內埋入空氣腔體制作工藝研究

Paper Code: S-086

李民善 紀成光 袁繼旺
（東莞生益電子有限公司，廣東 東莞 523127）

通訊技術的高速化要求PCB具有傳輸損失（α）小、傳輸延遲時間（Tpd）短、信號傳輸?shù)氖д嫘〉奶匦?，這就要求PCB使用的基板材料有優(yōu)秀的介電特性，以及對特性阻抗（Zo）的高精度控制。空氣的Dk（1.00053）僅次于真空下的Dk。因此如果能在背板的阻抗線路位置制作成空氣腔體，實現(xiàn)信號的高質量高速傳遞。文章采用低流膠粘結材料/掩膜材料在PCB內埋入多個、多層空氣腔體，對比了不同空腔材料制作空氣腔體的空腔形態(tài)、耐熱性能，研究了空腔形態(tài)的影響因素。

空氣腔體；流膠；掩模材料

1 背景

21世紀進入了高度信息化的社會，IT產業(yè)成為了21世紀中具有典型代表性的產業(yè),發(fā)展IT 產業(yè)的重要技術基礎是高速、高頻、大容量的信號傳輸，電子產品與通信產品在高速化方面的迅速發(fā)展是顯而易見的。在發(fā)展高速化PCB產業(yè)中，從它的產品設計，到選擇基板材料、產品制作、產品檢驗處處都包含著新技術、新水平，它的應用領域也提升到一個新的高檔次。因此，可以認為高速化PCB產業(yè)，是帶有高附加值的、具有“知識經濟”產業(yè)。發(fā)展高速化PCB產品，將給PCB業(yè)帶來新的商機、新的廣闊的應用市場。Dk、Df兩個介電特性，和基板材料絕緣層的厚度、導電層的電路圖形形狀等，一起構成了對特性阻抗值高精度控制的三個重要因素[1]。

高速化的PCB特性，一方面是由PCB的基板材料特性所保證的，要達到上述的特性，就需要基板材料具有低Dk、低Df的特性；另一方面，從PCB設計上著手，降低介質材料的Dk、Df值，也是一種低成本、便捷的途徑。從電子信號傳輸速度計算公式：

V=K×C/Dk（K為常數(shù)，C為光速，Dk表示基板的介電常數(shù)）

可知，降低基板材料的Dk值，有利于提高信號的傳播速度?？諝獾腄k（1.00053）僅次于真空下的Dk （1.000），如果減小上述公式中的Dk，則信號傳輸速度V可望得到明顯提升。因此如果能在背板的阻抗線路位置制作成空氣腔體，則有望極大地提高背板的信號傳輸速度、減少介質損失和信號傳輸延遲時間[2]。

該設計有如下特點：（1）在內層信號層差分線位置設計空氣腔體，腔體與同層內其余圖形和其它層隔離。（2）電源層/地層一般不設計空氣腔體。（3）空氣腔體寬度取決于差分線線寬/間距，長度取決于差分線長度。（4）在層間互連位置（導通孔）無法設計空氣腔體。

2 試驗方案

基于空腔設計特點和研究經驗，埋入空氣腔體主要有2種制作方法：

（1）使用不流動/低流動粘結材料，通過在粘結材料上預開槽（空氣腔體圖形），層壓排板時通過粘結材料與內層芯板的對位，使差分線位于粘結材料上的預開槽位置，通過控制壓合參數(shù)避免熔融的粘結材料流入開槽，從而實現(xiàn)多層PCB內埋入空氣腔體。該工藝經研究證明流膠較難控制，且膠層耐常規(guī)化學藥水能力較差，難以實現(xiàn)批量生產。（2）使用掩膜材料在內層芯板差分線位置預制空氣腔體圖形，再使用不流動/低流動粘結材料將帶有掩膜材料的內層芯板壓合粘結成多層PCB，從而在多層PCB內埋入空氣腔體。該方法關鍵在于尋找低流膠、高耐熱性能且耐化學藥水的掩模材料和粘結材料。由于粘結層用于粘結表面芯板或蓋有掩膜圖形的芯板，且粘結層介于PCB線路與地層之間，故要求粘結材料流膠量要低（否則無法制作空腔）、厚度要均勻性好（否則影響空腔尺寸均勻性）、介電常數(shù)較?。p少介質損耗）。綜上考慮，初步選用NFPP S1、S2和A1，界面材料D1以及掩模材料D2試驗制作空腔。各種材料性能如表1所示。本實驗設計簡單4L板，在2、3L設計重疊或不重疊的線路，配合在線路位置制作掩模開窗，實現(xiàn)單個空氣腔體或2個空氣腔體疊加。線路設計模擬常用的差分線、單線等背板布線設計，配合低流膠粘結材料壓合制成埋空腔。

PCB工藝流程：開料→內層干膜→內層沖孔→外干膜1→噴砂磨板→等離子體1→棕化→烘板1→層壓→鉆孔→等離子體→沉銅→外層干膜→圖形電鍍→外層蝕刻→掩?！两稹鷾y試

表1 空腔材料性能

3 試驗結果與分析

采用較厚的芯板（0.51 mm）制作線路圖形、絲印掩模后與粘結材料壓合，同時設計有距線路距離不等（0.2 mm ～ 0.4 mm）的沉銅孔（刀徑0.3 mm），主要考察掩模與粘結材料結合的可靠性、不同膠含量的粘結材料配合掩模開窗制作的空腔形狀、內部含掩模層的PCB制作沉銅孔的可行性以及沉銅孔距空腔的安全距離。

3.1 芯板制作掩模圖形效果

考慮到制作有線路的芯板制作掩模圖形、掩模圖形表面粗化過程都可能造成線路損傷，檢查芯板制作掩模圖形效果如下：

表2 芯板掩模圖形處理粗化效果

(表2 續(xù)表)

3.2 空腔形態(tài)切片分析

層壓后、熱應力（260 ℃/10 s/3次）后切片檢查埋空腔位置的空腔形態(tài)，結果如下。

表3 空腔形態(tài)切片分析（層壓后&熱應力后）

從上述分析結果可見：

（1）S1、D1材料流膠較多，其制作的空腔形態(tài)不完整，無法保護空腔內的差分線。

（2）S2、A1材料流膠較少，其制作的空腔形態(tài)完整，空腔內差分線被空氣有效隔離。

（3）S1、D1、A1材料配合掩模材料制作的空腔在熱應力后出現(xiàn)分層問題，而S2材料配合掩模材料制作的空腔則可通過熱應力測試。

3.3 空腔形態(tài)影響因素分析

3.1.1 鉆孔到空腔距離對空腔形態(tài)的影響

沉銅后取埋空腔位置切片，檢查不同孔到線距離設計的空腔形態(tài)，結果如下。

表4 不同孔到線距離設計的空腔形態(tài)檢查結果

從上述切片可見：（1）鉆孔到空腔邊緣距離大于0.12mm不到造成空腔破損，不影響空腔形態(tài)；（2）邊緣的空腔內填膠嚴重、而遠離鉆孔位置的空腔內填膠較少，但鉆孔是在層壓后完成，因此鉆孔不會對空腔內填膠狀況有影響。

初步分析空腔內填膠原因如下：（1）鉆孔邊緣的空腔處于芯板掩模覆蓋的大銅面與大銅面壓合的邊緣，該處位置層壓時不會失壓，因此大銅面間熔融的樹脂會受壓流動到空腔位置填充空腔；（2）遠離鉆孔位置的空腔則處于相對較大面積的差分線/掩模復合區(qū)域，該位置壓合時相對容易失壓，熔融的樹脂受壓較小，不容易流動、填充到空腔內。

3.3.2 鉆孔到空腔距離對空腔形態(tài)的影響

為證實前文分析，對空腔位置取切片分析，檢查設計成一排的9組差分線（左右側鉆孔）所在空腔內的填膠情況，通過計分法評估空腔相對于銅面位置、銅面尺寸對空腔形態(tài)的影響。

統(tǒng)計10個切片共90個空腔的評分情況，結果如表5所示。

表5 空腔形態(tài)計分統(tǒng)計結果

從上述分析可見，空腔形態(tài)與空腔距大銅面距離有一定關系：（1）空腔形態(tài)評分隨空腔距大銅面距離的增大呈先增大后減小的趨勢，大銅面尺寸對空腔形態(tài)影響明顯；（2）空腔周圍的大銅面尺寸越大，銅面附近的空腔形態(tài)評分越低，說明大銅面位置流膠更容易填充到銅面附近的空腔內。上述分析結果與前文“鉆孔邊緣的空腔處于芯板掩模覆蓋的大銅面與大銅面壓合的邊緣，該處位置層壓時不會失壓，因此大銅面間熔融的樹脂會受壓流動到空腔位置填充空腔”分析結果相印證，表明空腔邊緣如設計有大銅面，則需要加大空腔內差分線到掩模材料的安全距離，以免壓合后流膠填充到空腔邊緣。

3.3.3 掩模開窗大小對空腔形態(tài)影響

空腔形態(tài)與空腔內填膠有關，但即使空腔形態(tài)完整，但是空腔內差分線到掩模材料、粘結材料等介質的安全距離不夠，也會影響信號傳輸質量，可見掩模開窗大小對空腔形態(tài)可能也有影響。取成品板埋空腔位置切片，測量28個空腔的實際掩模開窗大小，評估掩模開窗大小對空腔形態(tài)的影響，空腔形態(tài)評分方法參考圖8及表6的方法，對于每個空腔包含4個掩模開窗位置，每個位置評分包線到掩模位置和線頂位置含2部分。

表6 空腔形態(tài)評分方法2

評分結果統(tǒng)計如表7，并做散點圖分析空腔形態(tài)與掩模開窗尺寸的關系如圖9。

從上圖分析可見：（1）實測掩模開窗尺寸在0～132 mm之間，空腔形態(tài)評分在0～10分之間；（2）掩模開窗尺寸大小與空腔形態(tài)沒有明顯對應關系，可能是掩模開窗尺寸對空腔形態(tài)影響不明顯，本實驗中被NFPP流膠的影響所掩蓋。

4 總結

（1）在已制作線路圖形的厚芯板上制作掩模圖形，經表面粗化后使用低流膠的NFPP S2壓合成多層板，可制作出多層、多個形態(tài)良好的空氣腔體。

表7 掩模開窗大小（μm）的空腔形態(tài)評分結果

（2）鉆孔到空腔邊緣距離大于0.12mm不會造成空腔破損，不影響空腔形態(tài)。

（3）大銅面邊緣的空腔位置層壓時不會失壓，大銅面位置熔融的樹脂會受壓流動到空腔位置填充空腔導致空腔形態(tài)較差，需要增加大銅面附近的空腔內差分線到空腔邊緣的距離，保證信號傳輸效果。

（4）S2材料配合掩模材料制作的空腔經過260 ℃/10 s/3次的熱應力測試后，空腔不會爆裂，NFPP與銅面、掩模材料界面無分層和裂紋。

5 后記

本文對于PCB埋空腔的研究僅限于小尺寸的低層板，距離埋空腔在高多層大背板PCB上的應用還有很大差距。希望能拋磚引玉，激發(fā)行業(yè)同仁繼續(xù)開展對于空腔形態(tài)控制、空腔內阻抗精度和均勻性控制的深入研究，使埋空腔這一新型工藝早日應用在通訊類PCB產品中，發(fā)揮其“提高信號傳輸速度、減少介質損失和信號傳輸延遲時間，從而實現(xiàn)信號的高質量高速傳遞”的美好前景。

[1]林敏. 高速電路板的設計及特性阻抗控制[C]. 第七屆全國印制電路學術年會論文集, 2004.

[2]林金堵,吳梅珠. 積層板內層結合力的探討[J]. 印制電路信息, 2010.11.

[3]李安慶,孫玉發(fā). 空氣帶狀線交叉耦合腔體3db電橋設計[J]. 合肥工業(yè)大學學報, 2012.6.

李民善，研發(fā)中心工程師，多年來專注于高端通訊用線路板制作工藝研發(fā)，發(fā)表多篇PCB技術論文。

Research on process of air-cavity embedded in PCB

LI Ming-shan JI Cheng-guang YUAN Ji-wang

The high-speed communication demand lower loss(α), smaller delay and lower distortion in signal transmission, which requires PCB using material with excellent Dk&Df, as well as high impedance accuracy. With 1.00053 Dk, which is surely higher to vacuum, air cavity in PCB would show higher signal transmission speed, lower distortion and smaller delay. Several air cavities were embedded into different layer of the multi-layer PCB with different low flow resin and mask material. The shape, reliability and influence factor of air cavity were studied in the paper.

Air-Cavity; Resin Flow; Mask Material

TN41

：A

1009-0096（2015）03-0191-06