王星星 蔣忠明 劉海龍 張威風(fēng)

（深南電路股份有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

高速印制電路板（printed circuit board，PCB）信號(hào)的傳輸速率趨向于112 Gbit/s甚至更高［1］，當(dāng)信號(hào)傳輸速度越快時(shí)，信號(hào)的波長就越短。當(dāng)波長短到可以與PCB 傳輸線長度相比擬時(shí)，反射信號(hào)疊加在原信號(hào)上將會(huì)改變?cè)盘?hào)的形狀［2］。如果PCB 傳輸線的特征阻抗與負(fù)載阻抗不相等（即不匹配），則在負(fù)載端就會(huì)產(chǎn)生反射［3］。能量傳遞不過去，效率降低，就會(huì)在PCB 傳輸線上形成駐波，導(dǎo)致PCB 傳輸線的有效功率容量降低，功率發(fā)射不出去，甚至?xí)p壞發(fā)射設(shè)備。

當(dāng)PCB上的高速信號(hào)線與負(fù)載阻抗不匹配時(shí)，會(huì)產(chǎn)生振蕩、輻射干擾等現(xiàn)象。因此，信號(hào)的傳輸速率越快，對(duì)PCB 阻抗公差的控制一般會(huì)越嚴(yán)格。一般而言，微帶線阻抗公差控制在±15%，對(duì)于重要的高速信號(hào)線，需要控制在±10%，帶狀線一般控制在±10%［4］。

高速PCB 上的傳輸線阻抗由多種因素決定，包括PCB 材料的介電常數(shù)、信號(hào)走線與參考平面之間的距離以及信號(hào)走線的寬度［5］。根據(jù)阻抗的計(jì)算公式可知，線寬是影響阻抗的重要因素之一。

當(dāng)走線寬度變化0.025 mm 時(shí)，阻抗將變化5～6 Ω。在實(shí)際的PCB 制造中，如果選擇銅厚18 μm 的銅箔作為信號(hào)平面控制阻抗，則允許的走線寬度公差為±0.015 mm。如果選擇銅厚35 μm的銅箔作為信號(hào)平面控制阻抗，則允許的走線寬度公差為±0.030 mm。線寬過寬或過窄，會(huì)導(dǎo)致線路的實(shí)際阻抗與期望值不同，阻抗不匹配又會(huì)導(dǎo)致傳輸線上任何不連續(xù)處的信號(hào)反射。這些反射會(huì)干擾原始信號(hào)，并導(dǎo)致信號(hào)完整性下降。

一般而言，線寬控制在±10%的公差內(nèi)，才能較好地達(dá)到阻抗控制要求。但隨著高速PCB 布線密度的日益增加，線寬、線距越來越小，這意味著單位線寬對(duì)阻抗的影響將越來越大，因此，對(duì)線寬精度的控制需要更加精細(xì)化。

市面上的銅箔類型多種多樣，但目前銅箔類型對(duì)線路加工精度的影響研究相對(duì)較少。本文以市面上常見的銅箔類型為例，研究其對(duì)線路加工精度的影響，以便更好地控制阻抗，滿足高速PCB的加工要求。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 銅箔類型對(duì)線寬的影響

取常用的幾種板材見表1，銅厚相同均為35 μm，銅箔類型包括超低輪廓銅箔（high volume low profile，HVLP）、反轉(zhuǎn)銅箔（reverse treated foil，RTF）和高溫延伸銅箔（high temperature elongation，HTE）。每種覆銅板（copper clad laminate，CCL）取兩塊，尺寸 為508 mm×609 mm。光繪設(shè)計(jì)線寬152.4 μm，線距100 μm，涵蓋橫、豎、斜3 個(gè)方向，線路無補(bǔ)償。所有板件做好標(biāo)記后一起經(jīng)貼膜、曝光、顯影、蝕刻、褪膜后測(cè)量線寬，線寬測(cè)量采取五點(diǎn)法，如圖1 所示，即每塊板測(cè)量四角加中間，每個(gè)點(diǎn)包含橫、豎、斜3個(gè)方向，每塊板的測(cè)量位置都相同。

圖1 板面測(cè)量位置及每個(gè)位置測(cè)量的線路

表1 板材與銅箔類型

1.2 銅面形貌對(duì)比

取表1 中的幾種CCL，分別在未經(jīng)任何處理前、內(nèi)層前處理后、蝕刻后采用激光共聚焦顯微鏡測(cè)量其表面粗糙度和表面形貌，通過銅厚測(cè)量儀測(cè)量銅箔處理前后的銅厚，以處理前與處理后銅厚的差值代表蝕銅量。

1.3 銅牙測(cè)量和電鏡表征

對(duì)每種銅箔橫截面都制取一個(gè)切片，然后在金相顯微鏡下測(cè)量面向基材面的最大銅牙。測(cè)量完后用微蝕劑對(duì)每個(gè)切片微蝕10 s，接著用蒸餾水沖洗掉表面殘留的微蝕劑，最后吹干后用掃描電鏡觀察其截面結(jié)晶形貌。

1.4 蝕銅量與線寬的關(guān)系

分別取標(biāo)稱銅厚35 μm和68 μm銅箔類型相同的CCL。35 μm CCL 作為實(shí)驗(yàn)板，經(jīng)前處理、貼膜、曝光后進(jìn)行蝕刻，68 μm CCL 作為試片，與實(shí)驗(yàn)板一起蝕刻，用不同的蝕刻速度控制試片蝕銅量的大小，加工完成后，測(cè)量不同蝕銅量下對(duì)應(yīng)的線寬。

2 結(jié)果與討論

2.1 銅箔類型對(duì)線寬的影響

在蝕刻的生產(chǎn)過程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)相同銅厚的板件經(jīng)蝕刻后線寬不一致，導(dǎo)致部分合格、部分不合格。為了查明原因，針對(duì)不同的銅箔類型經(jīng)蝕刻后的線寬進(jìn)行了分析，線寬主效應(yīng)圖如圖2所示。

圖2 3種類型銅箔的實(shí)測(cè)銅厚

由圖2 可見，HTE 銅箔對(duì)應(yīng)的線寬最寬，說明HTE 銅箔最難蝕刻，HVLP 銅箔次之，RTF 銅箔對(duì)應(yīng)的線寬最小，蝕刻最快。試驗(yàn)重復(fù)3 次，結(jié)果均為HTE 銅箔對(duì)應(yīng)的線寬最寬。對(duì)于此現(xiàn)象，本文有兩種假設(shè)思路：①不同類型銅箔的標(biāo)稱銅厚存在差異；② 不同類型銅箔的蝕刻速率不一樣。若每種銅箔的蝕刻速率一樣，則標(biāo)稱銅厚越厚，線寬越寬。原始銅厚的箱線圖如圖3 所示，由圖3 可知，HTE 銅厚較HVLP 薄，而線寬均值卻較HVLP 低，說明第一個(gè)假設(shè)不成立。下文將針對(duì)第二個(gè)假設(shè)展開討論。

圖3 線寬與銅箔類型的關(guān)系

2.2 銅面形貌對(duì)比

為了查明不同的銅箔在蝕刻后線寬差異原因，本文對(duì)板件加工過程中的表面形貌、表面粗糙度、蝕銅量進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。未經(jīng)任何處理、內(nèi)層前處理后、蝕刻后的銅箔表面形貌見表2。

由表2 可見，未經(jīng)任何處理的銅箔表面形貌中，RTF 銅箔的表面粗糙度最大，HTE 和HVLP之間沒有明顯區(qū)別。內(nèi)層前處理后的銅箔表面形貌與未經(jīng)任何處理的銅箔相比沒有明顯差別，經(jīng)蝕刻處理后的銅箔表面都變得相對(duì)平整，不同銅箔類型之間沒有明顯的區(qū)別，并且所有的銅箔表面均出現(xiàn)了一定程度的氧化。

粗糙度的測(cè)試結(jié)果如圖4 所示。在未經(jīng)任何處理時(shí)，RTF 銅箔的表面粗糙度明顯大于其他兩種銅箔，且經(jīng)前處理后，3種銅箔的表面粗糙度整體都略微變大。經(jīng)蝕刻后，RTF 與HTE 的表面粗糙度明顯變小，HVLP 略微變大，3 種類型銅箔的表面粗糙度（Rz）大小順序變?yōu)镠VLP＞RTF＞HTE。

圖4 加工過程中銅箔表面粗糙度變化

蝕銅量的結(jié)果如圖5 所示。經(jīng)過前處理后，蝕銅量的大小順序?yàn)镽TF（1.16）＞HTE（0.94）＞HVLP（0.85），經(jīng)蝕刻后蝕銅量的大小順序?yàn)镽TF（22.9）＞HTE（22.1）＞HVLP（21.8）。綜合以上現(xiàn)象可以推測(cè)，由于Rz較大，RTF 銅箔暴露出來的晶界多，在剛開始反應(yīng)時(shí)，與藥水的接觸面積大，所以反應(yīng)較其他兩種銅箔快，這一點(diǎn)在前處理制程的蝕銅量上有所體現(xiàn)。在蝕刻制程時(shí)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，銅箔表面逐漸平滑，此時(shí)銅的結(jié)晶致密程度將決定銅面的蝕刻速率。

陳郁弼［6］研究發(fā)現(xiàn)，HVLP 銅箔的晶粒明顯小于其他2 種銅箔。晶粒越小，結(jié)晶越致密，蝕刻速率越慢，因此，在蝕刻制程的蝕銅量上體現(xiàn)為HVLP 的蝕刻速率最慢。但是，這仍然無法解釋HTE 銅箔線寬高于其他2 種類型銅箔這一現(xiàn)象。

2.3 銅牙大小對(duì)比

HTE 銅箔面向基材面的銅牙大小明顯高于其他類型銅箔，如圖6 所示的切片圖也證實(shí)了這一點(diǎn)。

銅牙的大小如圖7 所示，HTE 銅箔的銅牙最大，RTF次之，HVLP最小。銅牙越大，嵌入基材中的銅越深，相當(dāng)于局部銅厚增加，并且嵌入基材這部分銅與藥水交換較為困難，因此較難蝕刻干凈。這也是在3 種銅箔類型中，HTE 銅箔線路毛邊最大、線路最寬的最終原因。因此，在標(biāo)稱銅厚相同的情況下，HTE 銅箔要想獲得與其他銅箔相同的線寬，需要花費(fèi)稍長的蝕刻時(shí)間。

圖7 不同材料的銅牙大小對(duì)比

2.4 橫截面掃描電鏡表征銅箔晶體形狀

不同銅箔類型的銅結(jié)晶存在差別［6］，對(duì)不同種類的銅箔進(jìn)行了掃描電鏡觀察，結(jié)果如圖8 所示。由圖可見，RTF 與THE 銅箔的晶粒較大，HVLP 銅箔的晶粒較小，且結(jié)晶較為致密。銅結(jié)晶越致密，晶界越不明顯。晶界處容易產(chǎn)生納米空洞，導(dǎo)致銅結(jié)晶相對(duì)松散，在宏觀上表現(xiàn)為更容易被蝕刻掉。這也從側(cè)面說明了2.2節(jié)中RTF和HTE銅箔的蝕銅量大于HVLP銅箔。

圖8 不同銅箔的橫截面掃描電鏡圖

2.5 蝕銅量對(duì)線寬的影響

HTE 銅箔線寬均值比其他兩種類型銅箔寬約2 μm（3 次實(shí)驗(yàn)結(jié)果取均值），因此需要單獨(dú)控制蝕刻參數(shù)。不同蝕銅量下對(duì)應(yīng)的線寬大小如圖9所示。由圖9 可見，線寬隨著蝕刻量的增大而減小，并且在圖示的蝕刻量范圍內(nèi)，線寬近似與蝕刻量呈線性關(guān)系。通過擬合得出的關(guān)系式為y=-1.761x+150.84，從該方程的斜率可以得出，在一定范圍內(nèi)，蝕刻量每變化1 μm，線寬約變化1.8 μm，因此，可以通過控制蝕刻線速控制蝕銅量，進(jìn)而調(diào)節(jié)線寬。

圖9 蝕銅量與線寬的關(guān)系

3 結(jié)語

影響阻抗的因素有很多，行業(yè)內(nèi)關(guān)于阻抗的研究也越來越多。阻抗的管控并非一蹴而就，需要將每一個(gè)因子都管控好，才能更好地控制阻抗。本文研究了不同銅箔類型對(duì)線寬精度的影響，結(jié)果見表3。在相同的蝕刻條件下，不同銅箔的線寬存在細(xì)微差異，其主要原因是不同類型銅箔的銅牙差異較大，并且在晶粒、表面粗糙度、實(shí)際銅厚等方面存在細(xì)微差異。HTE 銅箔的銅牙較大，晶粒也較大，表面粗糙度小，蝕刻出來的線寬最寬；RTF銅箔的銅牙略大于HVLP，晶粒大小介于HVLP 與HTE 之間，表面粗糙度最大，蝕刻出來的線寬最?。籋VLP 銅箔的銅牙最小，晶粒小且密，光面粗糙度小，線寬介于HTE 與RTF 之間。為了保持蝕刻線寬的一致性，不同類型銅箔應(yīng)該采取不同的蝕刻參數(shù)，在蝕刻壓力相同的情況下，蝕刻線速控制應(yīng)為VRTF＞VHVLP≥VHTE。

表3 3種類型銅箔的特性比較