林金堵

本刊名譽主編

近10年來，電子產(chǎn)品持續(xù)走向小型化的同時、特別突出的是其功能更多、速度更快地向前發(fā)展著。在電子產(chǎn)品多功能化、信號傳輸高頻化（或高速數(shù)字化）的沖擊下，作為電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)部件印制板（PCB）必然要急劇地向高密度化、高精細化發(fā)展。而PCB高密度化、高精細化的 發(fā)展主要是要求“線”、“孔”、“層”等三大要素（結(jié)構(gòu)）做小（細）、做精（尺寸精度）、做準（結(jié)構(gòu)精準），才能滿足要求。

目前，PCB高密度化正以封裝（IC）基板為主體向前發(fā)展中，而PCB高精細化正以微小、高精度的線、孔和層等“三大要素”向前推動著。其中，將過去以“線”為主體發(fā)展轉(zhuǎn)變?yōu)榭诪橹黧w的發(fā)展！因此，重視和抓好提高孔的質(zhì)量制造已經(jīng)排在PCB制造業(yè)的日程上來！

1 信號高頻化帶來的沖擊

1.1 信號傳輸快速走向高頻化

電子產(chǎn)品不僅迅速走向小型化和多功能化，更突出地是其信號傳輸急劇地走向高頻（或高速數(shù)字）化發(fā)展。目前電子產(chǎn)品的信號傳輸頻率已經(jīng)從過去的兆（MHz）、十兆、百兆為單位發(fā)展到幾個G（即千兆、GHz）、幾十GHz、幾百GHz，甚至上千GHz為單位的傳輸速度。尤其是在航天航空和國防軍事等的電子工業(yè)產(chǎn)品上，其電子通信頻率大多數(shù)為40～100 GHz之間，有的已經(jīng)超過千千兆（1000 GHz），而且還在繼續(xù)快速地提高著?？梢赃@樣說：那個國家的電子通信頻率最高（電子通信最快），那個國家信息和國防最安全！

1.2 信號高頻化的趨膚效應。

電子產(chǎn)品信號傳輸高頻（高速數(shù)字）化必然帶來趨膚效應（集膚效應）嚴重化。趨膚效應是指信號的頻率傳輸越快，信號傳輸就越來越接近導體的表面進行，趨膚效應的結(jié)果是要求導體表面走向完美（無缺陷、特別是無粗糙度等）性。導體表面粗糙度是如何影響信號傳輸？若信號傳輸?shù)谋韺雍穸圈模ㄚ吥w深度skin depth）為1/e（36.97%），則趨膚效應的公式：

其中δ—表層厚度；σ—導電率；ω—角頻率（=2πf，f為頻率）；μ—導磁率。很顯然，隨著信號傳輸頻率的提高，在導體內(nèi)信號傳輸不僅只能集中在導體表面層δ厚度內(nèi)進行，而且其表面層傳輸厚度將越來越薄（見表1）。

從表1中可看出，隨著信號傳輸高頻化（或高速數(shù)字化）的發(fā)展與進步，信號在導體中的信號傳輸表面厚度越來越薄，當信號傳輸高頻化（或高速數(shù)字化）的發(fā)展達到一定數(shù)值（100 M）以后，傳統(tǒng)的導體表面粗糙度便遇到了挑戰(zhàn)，因此，必須根據(jù)信號傳輸頻率和高速數(shù)字化程度來制造合適的粗糙度銅表面（如進行特性阻抗值大小控制），才能滿足要求。

趨膚效應的程度是與高頻化成正比的 ，越來越嚴重化（見表1）[1]，趨膚效應已經(jīng)明顯影響著信號傳輸效果。值得注意的是，不僅要求覆銅箔板的銅導體表面的粗糙度越來越小，而且其發(fā)展方向是無粗糙度（無輪廓）的銅毛面要求。

1.3 傳統(tǒng)的銅表面粗糙度遇到挑戰(zhàn)。

由于信號傳輸高頻化的發(fā)展使其在銅表面?zhèn)鬏敽穸仍絹碓奖?，特別是傳輸信號≥1 G頻率時，其信號傳輸僅在2.1 μm表面層內(nèi)進行，這已經(jīng)是在傳統(tǒng)的粗糙度內(nèi)進行傳輸信號，由于粗糙度會給傳輸信號引起“駐波”、“反射”、“散射”等的損失而帶來信號減弱或失真。因此不僅傳統(tǒng)的覆銅板的板材無法采用（主要是毛面粗糙度，見表2）。而且在PCB中的“線”、“孔”的傳統(tǒng)表面粗糙度也不能采用了，這將是目前和今后對“孔”、“線”的最大的挑戰(zhàn)！

從表2中看到，即使選定V（甚低粗糙度）級的覆銅箔層壓板（特別是毛面輪廓）也不能滿足高頻（高速）化、特別是≥1 G的傳輸信號（見表1）的要求。因此，覆銅箔層壓板工業(yè)要與印制電路板工業(yè)要一起共同進行創(chuàng)新、轉(zhuǎn)型、發(fā)展，才能滿足信息技術(shù)、電子工業(yè)發(fā)展的要求！可喜的是，目前我國采用化學方法（加入氧化石墨烯材料）已經(jīng)得到毛面低粗糙度（輪廓）和很好的結(jié)合強度的覆銅箔層壓板產(chǎn)品[3]。

2 “孔”將成為PCB制造的主題

2.1 PCB的孔、線和層的發(fā)展與進步

2.1.1 “孔”的走向。

PCB中“孔”變得越來越小、越來越密，目前導通孔直徑已經(jīng)小到50 μm或更小，同時以“孔”不斷取代“線”（疊孔）的連接、使“孔”的數(shù)量越來越多，甚至全部成為“孔”（或含有“盤”而無“線”）的連接結(jié)構(gòu)。如：封裝基板SUB（Substracte）結(jié)構(gòu)中，線越來越短、越來越少，而“孔”的數(shù)量越來越多。如：ALIVH（Any layer interistitial via hole的任意層互連孔結(jié)構(gòu)）、B2it（Burted bump interconnection technology埋凸塊互連技術(shù)）和FVSS（Free via stracked up structure任意疊孔）結(jié)構(gòu)等的產(chǎn)品都不再含有“線”的連接，而是僅用“孔”進行“層”間的連接。

表1 信號傳輸頻率與趨膚效應（趨膚深度）的關(guān)系

表2 覆銅箔層壓板的銅箔表面粗糙度標準

2.1.2 “線”的走向。

PCB中“線”也變得越來越精細，而且變得越來越少、甚至變成無“線”的連接結(jié)構(gòu)。因為過去PCB內(nèi)連接是以“線”為主體的，當信號傳輸高頻（高速數(shù)字）化后，必須進行特性阻抗值控制。但是，當導線小到50 μm以下（特別是小到20 μm）時，不僅導線本身制造成功率低，而更突出的是特性阻抗值變化范圍的控制是非常困難的（如對20 μm導線進行特性阻抗值5%控制時，則要求導線尺寸變化或誤差要在1 μm之內(nèi)，在目前的生產(chǎn)設(shè)備及其工藝技術(shù)是很難做到的）。因此，導線在PCB中的主導地位被“孔”取代了，這也是PCB中變成無“線”連接結(jié)構(gòu)走向的必然規(guī)律。

2.1.3 “層”的走向。

PCB內(nèi)的“層”是起著絕緣、傳導熱和特性阻抗值等的作用，因此“層”將會長期存在，其厚度雖然也向越來越薄發(fā)展著，但是從絕緣、阻抗等角度來看，目前和今后的一段時間內(nèi)，其厚度應該穩(wěn)定在30 μm～50 μm之間，而其厚度和表面的精細度控制提高了，這是特性阻抗值和絕緣而要求的結(jié)果。所以從PCB板中“孔”、“線”和“層”的 發(fā)展上分析，可以看出，在今后和未來：“孔”將成為PCB發(fā)展的主導方向；“層”將會長期穩(wěn)定存在著；而“線”是兔子尾巴長不了啦。

2.2 “孔”和孔 質(zhì)量將主導著PCB的發(fā)展

從電子產(chǎn)品高頻（高速數(shù)字）化的發(fā)展要求看，在目前進行數(shù)控機械鉆孔和常規(guī)激光鉆孔的兩大類加工中，存在著不少問題，特別是孔壁粗糙度、鉆污、熱損（燒）傷和錐形（喇叭）孔等缺陷，這些缺陷將會給高頻信號傳輸發(fā)生信號駐波、反射和散射等現(xiàn)象，當然會導致傳輸信號損失而使信號減弱或失真，這些缺陷越來越不能用于高頻（特別是超高頻）化信號傳輸?shù)碾娮赢a(chǎn)品上。

2.2.1 數(shù)控機械鉆孔。

傳統(tǒng)的數(shù)控機械鉆孔的鉆孔直徑ф≥0.1 mm，更小尺寸有困難或成本高。對于高頻化應用場合，數(shù)控機械鉆孔的質(zhì)量存在兩大問題：（1）是粗糙度大，其孔壁粗糙度都在8 μm左右（甚至更大）；（2）是熱損傷使樹脂鉆污，必須進行去除鉆污而帶來孔壁表面改變（如粗糙度更大、表面能和不規(guī)則和缺陷等），其孔金屬化后的表面銅更為復雜多變。這些對于高頻信號傳輸（信號減弱或失真）的影響很大。因此，數(shù)控機械鉆孔既不適用微小孔（特別是ф≤0.1 mm）加工場合，也不適用于高頻化信號傳輸?shù)念I(lǐng)域。

2.2.2 傳統(tǒng)激光鉆孔。

傳統(tǒng)的激光鉆孔有紅外激光鉆孔（屬于紅外線區(qū)域，采用的波長為12.6 μm，后轉(zhuǎn)為效率更高的9.6 μm波長）和紫外激光鉆孔（屬于紫外線區(qū)域，采用的波長是0.366 μm左右），由于紫外激光鉆孔加工速度慢、成本高，因此紫外激光加工主要于切割，可獲得較高精度和好的切割外觀尺寸。而紅外激光鉆孔速度快、成本低，因此真正用于激光鉆孔的是紅外激光鉆孔技術(shù)。

紅外激光鉆孔是采用紅外線的“熱效應”來完成的，由于是采用“微秒級”時間沖擊（加工）的孔，因此“鉆孔”不僅是“燒”出來的，而且還引起“熱燒傷”，所以完成的孔是上大下小的“倒錐形”孔。同時，由于紅外線的脈沖鉆孔速度太慢（微秒級），引起嚴重的“熱”傳導（遞）造成孔壁“熱損傷”嚴重，不僅造成“倒錐形孔”，而且還使孔壁形成熔融物、殘渣等復雜的表面，這對于孔金屬化處理和信號傳輸是很不利的。采用紫外激光鉆微孔，盡管是紫外線切割是“冷加工”的，但是由于是采用“微秒級”世界的沖擊（加工）的孔，仍然會產(chǎn)生“熱”而存在著“熱”的傳導（遞）造成孔壁“熱損傷”，盡管孔壁狀況稍好于紅外激光加工效果，但仍然不能達到滿意結(jié)果。

2.3 無“熱損傷”鉆孔是實現(xiàn)高質(zhì)量導通孔的根本出路

飛秒激光鉆孔是指其脈沖激光光束每次沖擊（“鉆孔”）時間是在飛秒級[（1～100）×10-15s]內(nèi)進行“鉆孔”的，由于飛秒激光鉆孔的時間遠小于“熱傳導”時間，因此不會引起“熱損傷”。而傳統(tǒng)的紅外激光鉆孔或紫外激光鉆孔的脈沖光束每次沖擊時間是在“微秒級[（1～100）×10-6s）]”內(nèi)進行鉆孔的，遠大于“熱傳導”的時間，必然導致嚴重的“熱損傷”等缺陷。飛秒激光加工是以“飛秒級”時間進行加工的。1飛秒是1×10-15s，而“飛秒級”時間是指≤100飛秒（或1飛秒至100飛秒）的時間。

從目前接觸到的機械（數(shù)控）鉆孔和激光打（蝕）孔上看：機械（數(shù)控）鉆孔的時間，在12萬轉(zhuǎn)速/分至30萬轉(zhuǎn)速/分的鉆床上按每秒鐘加工（1～10）個（次）孔計算，則機械（數(shù)控）鉆孔的加工時間是亞秒級（0.1 s～1 s）；而CO紅外（或紫外）激光打（蝕）孔的激光脈沖是分多次（大多數(shù)是為三次）加工來完成的，每次加工時間為3微秒到9微秒之間，因此是屬于“微秒級”的加工時間，必然會引起“熱損傷”；飛秒激光加工是指激光的脈沖加工時間是處在“飛秒級”（1飛秒至100飛秒）時間進行激光加工的，其脈沖打擊時間極短，小于“熱傳導”所需要的時間，因此不會引起“熱損傷”。

3 飛秒級激光加工的特點和優(yōu)勢

3.1 具有無熱損傷區(qū)和無熱致內(nèi)應力的加工效果

熱損傷和熱致內(nèi)應力的程度是由激光加工時間長短來決定的，激光脈沖加工時間越長，熱損傷和熱致內(nèi)應力的程度就越嚴重，反之，激光脈沖加工時間越短，熱損傷和熱致內(nèi)應力的程度就越小，當激光脈沖加工時間短于熱傳導需要時間就不產(chǎn)生熱損傷和熱致內(nèi)應力了！這說明熱傳導時間是隨著激光脈沖加工時間減短而降低[6]。

由于飛秒激光加工的部位不會發(fā)生熱損傷區(qū)和熱致內(nèi)應力，因而可達到極其精準的位置度、精細的尺寸和精致的表面光潔度（≥▽11）或極好的表（截）面粗糙度（≤0.1 μm）。

飛秒激光加工的表（截）面粗糙度≤0.1 μm相當于表面光潔度≥▽11。而目前很好的機械加工光潔度為0.63 μm（▽8），所以飛秒激光加工的表（截）面≤0.1 μm的粗糙度是目前其他所有加工技術(shù)無法達到的效果[6]。

3.2 飛秒激光可實現(xiàn)“精”、“準”地鉆孔

采用飛秒激光鉆孔可得到無熱損傷和無熱應力的效果，其加工的“孔”可以達到十分“完美”的結(jié)構(gòu)。

3.2.1 飛秒激光可實現(xiàn)“精”、“準”地鉆孔

采用不同激光時間鉆孔的效果表明：采用連續(xù)（不間斷）的激光脈沖鉆孔的

質(zhì)量是最差的；采用納秒的激光脈沖鉆孔也不好；采用皮秒的激光脈沖鉆孔能得到勉強地接受；而采用飛秒的激光脈沖鉆孔是可得到相當完美的效果，其孔尺寸、表面光潔度等是與設(shè)計一致的。

3.2.2 在飛秒激光鉆孔基礎(chǔ)上實現(xiàn)完美的導通孔

由于飛秒激光鉆孔的質(zhì)量是十分理想而光潔的表面，其表面能大、活性高，因此不用進行表面處理，可直接進行孔金屬化而獲得完美的導通孔的質(zhì)量。

采用飛秒激光鉆孔進行傳統(tǒng)的孔金屬化、石墨烯孔金屬化或氧化石墨烯孔金屬化都可獲得好的效果。而更重要的是飛秒激光加工的導通孔，由于孔壁粗糙度（≤0.1 μm）很低，在高頻化信號傳輸中可明顯減少信號傳輸損失和失真，特別是在疊孔結(jié)構(gòu)的封基板裝中有著極好的信號傳輸性能。

3.3 可明顯提高制造業(yè)加工質(zhì)量等級和應用效果

由于飛秒激光脈沖加工消除了“熱損傷”和“熱致內(nèi)應力”等的缺陷而得到精準位置度和極小的表（截）面粗糙度（或極好的光潔度），使加工的產(chǎn)品極大提高了質(zhì)量等級！同時，飛秒激光幾乎可適用于制造業(yè)中所有材料進行加工（如切割、異形加工、鉆孔、焊接等），因此飛秒激光加工對于提高制造業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量等級將會起著重要而關(guān)鍵的作用!

3.3.1 在PCB進行異形加工、修整和切割等的應用。

飛秒激光加工的粗糙度可達到0.1 μm，比目前各種加工的粗糙度小上百倍或更多，不會形成孔表面殘渣等雜物，其“精”、“準”的尺寸、位置度和形狀與設(shè)計一致，是非常理想的加工效果！

3.3.2 目前在燃油噴嘴等加工應用。

大家知道機動車（特別是汽車等）的燃油燃燒不完全的廢氣是大氣污染主要來源之一（由于汽車多，加上燃油噴射孔精度低造成燃油燃燒效率不高，既耗油又廢氣排放多），因此節(jié)能減排的燃油噴射用的微噴射孔加工精度和尺寸完美度是提高燃油燃燒效率的關(guān)鍵。為了提高燃油的燃燒效率，其微噴射孔加工精度越來越高，甚至要求≤1 μm或更小，因為提高燃油效率是關(guān)系到國家和世界環(huán)境污染大問題！而軍用各種飛機的燃油微噴射孔的精度要求達到≤0.1 μm，則可極大提高燃油效率或航程、其重要意義將關(guān)系到飛機作戰(zhàn)的能力、甚至關(guān)系到“空戰(zhàn)”的成敗問題！