林 健 王小娟 王 鋒 唐 耀 石衛(wèi)松

（珠海方正印刷電路板發(fā)展有限公司，廣東 珠海 519175）

伴隨5G時代的飛速發(fā)展，通信設(shè)備對信號傳輸?shù)男枨笕遮呍黾?，高頻高速發(fā)展伴隨的是對印制電路板（PCB）信號傳輸質(zhì)量的高要求，PCB的信號完整性（SI）成為研究重點。

PCB由設(shè)計到制造的過程中，其信號的傳輸質(zhì)量，即信號完整性會受到材料、走線、制程等影響，產(chǎn)生例如阻抗不連續(xù)、串?dāng)_、反射等問題，造成電子系統(tǒng)工作異?；蚴1]。信號在高頻段傳輸時，線路的電流大部分集中在導(dǎo)體表面，即趨膚效應(yīng)[1]。

由于趨膚效應(yīng)，已知當(dāng)頻率達到1 GHz時，信號在導(dǎo)線表面的傳輸深度為2.1 μm，此時若線路表面粗糙度是3～5 μm，信號則在粗糙度的厚度范圍內(nèi)傳輸[2]。故當(dāng)信號到10 GHz以上高頻段時，信號傳輸深度僅0.7 μm，信號仍是在粗糙度厚度范圍內(nèi)傳輸。當(dāng)信號僅在粗糙的厚度范圍內(nèi)傳輸時，其駐波、反射增強，信號傳輸路徑加長，損耗增加，信號將損失乃至失真。因此，線路表面的粗糙度成為影響高頻信號完整性的一個重要因素[1]。

在PCB制程中有許多因素直接影響線路表面粗糙度，例如前處理、棕化等。在棕化時，其主要目的是增加銅面粗糙度，增強內(nèi)層銅面與基材強與半固化樹脂的黏結(jié)力。棕化不僅可以增強與半固化樹脂結(jié)合力，避免后續(xù)電路板分層問題，還可以防止銅被進一步腐蝕，保護線路，保障多層PCB的性能。但銅面粗糙度的增加也伴隨著信號傳輸損耗的增加。

普通棕化藥水對銅面的咬蝕量較大，難以達到PCB的高信號傳輸要求，為改善棕化時銅面粗糙度增加對性能損耗的影響，棕化藥水供應(yīng)商研制了專用于改善PCB損耗的低粗糙度棕化藥水，以降低銅面棕化后的粗糙度。低粗糙度棕化藥水期望在保障棕化及層壓可靠性要求的同時，有效降低銅面粗糙度，增加信號傳輸效率。本文主要通過對比普通棕化藥水，比較不同低粗糙度棕化藥水對PCB的信號完整性影響。

2 實驗部分

2.1 實驗材料與設(shè)備

2.1.1 測試材料

選用同為TU933P+的高速材料芯板[銅箔為18 μm（0.5 oz）的HVLP超低輪廓銅箔]與半固化片（2116#樹脂含量56%，1078#樹脂含量64%）。

2.1.2 測試藥水

棕化藥水共對比測試了7款。其中，藥水A0為一款A(yù)供應(yīng)商提供的普通棕化藥水，藥水A1與A2為A供應(yīng)商提供的低粗糙度一代及二代棕化藥水，藥水B1及B2為B供應(yīng)商提供的低粗糙度一代及二代棕化藥水。藥水C與D為其他供應(yīng)商提供的低粗糙度棕化藥水。

2.1.3 測試設(shè)備

3D激光測量顯微鏡（奧林巴斯，S5000），金相顯微鏡（奧林巴斯，BX53MTRF-S），掃描電子顯微鏡（日立，S3400），矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（安捷倫，E5071C），剝離強度測試儀（正業(yè)，DS2-200N），自動取樣機（愛思達），錫爐（群翔，KC3047），8溫區(qū)無鉛全自動回流焊（科盛，ZKS-608）。

2.2 測試板設(shè)計與制作流程

2.2.1 測試板設(shè)計

信號測試板為6層板，疊構(gòu)設(shè)計中，L2/L5為信號層，L3/L4為參考層。信號傳輸線為差分線，一面6組，共12組，差分成品阻抗設(shè)計為95±9.5 Ω，線寬為0.15 mm，線距為0.20 mm。具體疊構(gòu)見圖1所示。

圖1 六層板疊構(gòu)圖

2.2.2 測試板制作流程

下料-內(nèi)層圖形轉(zhuǎn)移-內(nèi)層AOI（自動光學(xué)檢測）-棕化（不同粗糙度藥水處理棕化）-烘板-壓合-機械鉆孔-清洗-烘板-電鍍-外層圖形轉(zhuǎn)移-酸性蝕刻-AOI-防焊-阻抗測試-化鎳金-文字-成型-終檢-成品。

2.3 測試項目

2.3.1 銅面微觀形貌

通過SEM（掃描電子顯微鏡）觀察，分析對比經(jīng)過不同棕化藥水處理后的銅面的微觀形貌。

2.3.2 銅面粗糙度

使用3D激光測量顯微鏡測試不同棕化藥水處理后銅面的粗糙度（線粗糙度、面粗糙度、表面積比）。

2.3.3 剝離強度

銅箔經(jīng)不同棕化藥水分別處理后與半固化片進行壓合，然后蝕刻出3 mm的線路，用剝離強度測試儀測試線路原始態(tài)以及經(jīng)過5次無鉛回流焊后的剝離強度。

2.3.4 插入損耗

使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測試成品板傳輸線的插入損耗，繪制在測試頻率為0～20 GHz條件下插入損耗與頻率的關(guān)系圖。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同低粗糙度藥水表面處理對銅面微觀形貌的影響

利用（掃描電子顯微鏡）分析對比經(jīng)過不同棕化藥水處理后銅面的微觀形貌，并與棕化前進行對比，結(jié)果見圖2所示。從SEM圖中可以看出，經(jīng)過棕化藥水處理后的銅面對比未棕化處理的銅面，微觀形貌均發(fā)生改變，未棕化處理的銅面基本平整，呈顆粒狀晶狀體。棕化處理后的銅面呈現(xiàn)微觀下的蜂窩狀多孔態(tài)。其中普通棕化藥水A0的多孔結(jié)構(gòu)很明顯，蜂窩態(tài)更大更深。而低粗糙度棕化藥水的SEM圖比起A0的來看，蜂窩狀較小較密，其中A1/A2/B1的多孔狀結(jié)構(gòu)較密集，B2/C/D的較為平整一些。即由SEM圖粗略判斷，微觀粗糙度由大到小排序為A0＞A1/A2/B1＞B2/C/D。

圖2 銅面SEM圖

3.2 不同低粗糙度藥水表面處理對銅面粗糙度的影響

使用3D測量激光顯微鏡分別分析棕化處理前后銅面的粗糙度，結(jié)果見圖3所示。表征銅面粗糙度的指標有Ra、Rz、Rq和Sa、Sz、Sq、表面積比等，其中穩(wěn)定性較好的測量指標為Ra、Sa、表面積比，故選用這三個數(shù)據(jù)作為主要評價指標，Rz、Sz作為參考評價指標[3]。測試結(jié)果顯示，棕化后的線粗糙度、面粗糙度和表面積比相較于棕化前都有所增加。普通棕化藥水A0對銅面粗糙度的增加最明顯，Sr從1.0411增加到1.4397，增加了38.29%，同理，Ra增加了68.67%，Sa增加了30.30%。低粗糙度藥水均增加了銅面粗糙度，增加程度次于A0。A2/B2/ B1/A1棕化后的銅面粗糙度較大，Sr介于1.2和1.3之間，棕化后比棕化前的粗糙度增加了15.89%～23.98%。C/D棕化后的銅面粗糙度較低，Sr＜1.2，棕化后比棕化前的粗糙度增加了11.51%～14.02%。這主要是受棕化藥水微蝕的影響，使平整的銅面粗化。粗糙度綜合排序由大到小為A0＞A1＞B1＞B2＞A2＞D＞C，與SEM表現(xiàn)基本一致，由此可得，采用低粗糙度棕化藥水可以降低銅面粗糙度。

圖3 銅面粗糙度分析結(jié)果圖

3.3 不同低粗糙度藥水表面處理對剝離強度的影響

使用剝離強度測試儀測試經(jīng)過不同棕化藥水處理后的銅面與半固化片之間的剝離強度，測試結(jié)果如圖4和圖5所示（注：1 lb/in＝0.175 N/mm）。圖4和圖5分別為5次無鉛回流焊（IR*5）處理前后的剝離強度?？梢钥吹絀R*5前后剝離強度的大小順序基本沒有變化，且回流焊后的剝離強度普遍大于回流焊前的。從回流焊前后的剝離強度數(shù)據(jù)來看，B2與A0相當(dāng)，＞0.3 5N/mm（2 lb/in），A1和D相當(dāng)，＞0.263 N/mm，B1、C和A2相對較差，＜0.175 N/mm，其中A2處理后的剝離強度最差。低粗糙度棕化藥水與樹脂間的機械拉力明顯弱于普通棕化藥水。

圖4 IR＊5前銅面與PP剝離強度測試結(jié)果圖

圖5 IR＊5后銅面與PP剝離強度測試結(jié)果圖

剝離強度按由大到小排序為B2＞A0＞A1/D＞B1＞C＞A2。結(jié)合表面粗糙度結(jié)果來看，剝離強度除了與銅面粗化程度（物理結(jié)合）相關(guān)外，還與各藥水在銅面形成的有機膜（化學(xué)結(jié)合）相關(guān)。

3.4 不同低粗糙度藥水表面處理對信號傳輸線可靠性的影響

對經(jīng)過二代藥水A2及B2處理的成品板在傳輸線信號孔區(qū)域取切片，通過金相顯微鏡觀察分析，結(jié)果見圖6和圖7所示。如圖所示，B2處理的板未發(fā)現(xiàn)分層現(xiàn)象，A2處理的板發(fā)現(xiàn)分層，不符合IPC-A-600J標準。分層在L4-L3處，此為芯板棕化處理面與PP結(jié)合的界面，與棕化藥水對銅面粗糙度處理及形成的化學(xué)鍵相關(guān)。

圖6 未分層板（B2）切片

圖7 分層板（A2）切片

3.5 不同低粗糙度藥水表面處理對信號傳輸線插入損耗的影響

使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測試成品板的信號傳輸線在0～20 GHz頻率范圍內(nèi)的插入損耗，分析對比不同棕化藥水表面處理對L5插入損耗的影響，插入損耗與頻率的關(guān)系見圖8所示。普通棕化藥水A0與不同型號低粗糙度棕化藥水表面處理帶狀線的插入損耗和頻率呈現(xiàn)線性關(guān)系，均隨著信號傳輸頻率的增大而增大，線型的抖動主要是受諧振影響。在低頻率下，信號在銅面的傳輸深度較深，此時影響信號插入損耗的因素主要是介質(zhì)，由于測試中所有棕化藥水處理的材料一致，故低頻時各處理方式的插入損耗基本一致。但隨著信號傳輸頻率增大，信號傳輸深度越小，銅面粗糙度對信號傳輸?shù)挠绊懺酱?，各種低粗糙度棕化藥水處理的插損差異越大。

圖8 低粗糙度藥水插損測試結(jié)果

圖9為14 GHz下的插入損耗，以及低粗糙度棕化藥水相較于普通棕化藥水A0的插入損耗收益。由表中數(shù)據(jù)及排序可見，A2處理后的插入損耗收益最大，為6.01%，其次是C/B2，收益5%～6%，A1/B1更次之，收益3%～4%，收益表現(xiàn)最差的為D，僅1.35%。對比A0，插入損耗收益按從大到小排序為A2＞C＞B2＞A1＞B1＞D＞A0。

圖9 插入損耗收益統(tǒng)計表圖

4 總結(jié)

（1）PCB內(nèi)層經(jīng)過棕化處理后會改變銅面表面形貌及粗糙度，進而影響線路傳輸信號完整性。相較于普通棕化藥水，不同體系的低粗糙度棕化藥水均降低了銅面粗糙度，提升了信號完整性能力。

（2）測試結(jié)果表明：SE微觀粗糙度由大到小排序為A0＞A1/A2/B1＞B2/C/D；粗糙度綜合排序由大到小為A0＞A1＞B1＞B2＞A2＞D＞C；剝離強度按由大到小排序為B2＞A0＞A1/D＞B1＞C＞A2；插入損耗收益按從大到小排序為A2＞C＞B2＞A1＞B1＞D＞A0。

（3）SEM觀察結(jié)果與粗糙度測試結(jié)果基本吻合，粗糙度結(jié)果與插損測試結(jié)果基本保持一致。采用低粗糙度棕化藥水處理后的插入損耗比普通棕化藥水低5%左右。

（4）本次測試中有幾款藥水的表現(xiàn)值得關(guān)注。在測試的藥水中，B2的綜合表現(xiàn)最好，粗糙度降低的同時獲得最佳的剝離強度，在具有良好SI（信號完整性）性能的同時獲得了最好的可靠性能：14 GHz下插入損耗0.57518 dB/in，相比A0收益5.37%，回流焊后剝離強度2.413 lb/in，是可供高頻高速PCB選擇使用的良好產(chǎn)品。

（5）A2與C的SI（信號完整性）表現(xiàn)接近且優(yōu)于B2。A2與C雖達到最佳的SI，同時粗糙度最低，但剝離強度最差，其中A2更是出現(xiàn)分層，故不排除C也具有很大的分層隱患，其實對于高頻高速PCB，SI與可靠性通常相互矛盾——平整的線路帶來優(yōu)異SI，但粗糙的表面更有利于保證結(jié)合力[1]。但銅面與半固化片的結(jié)合力除了受表面粗糙度的物理咬合作用影響之外，還受到低粗糙度棕化藥水在表面形成的有機層與樹脂之間的化學(xué)作用影響。而D雖然粗糙度很低，剝離強度卻良好，但插損表現(xiàn)最差，損耗最大，故不是良好的產(chǎn)品。

（6）A供應(yīng)商的低粗糙度二代藥水A2相比一代A1在粗糙度影響上有很大改變，大幅降低了對銅面粗糙度影響的同時也獲得優(yōu)異的SI，但剝離強度隨之變差，出現(xiàn)分層。結(jié)合其他藥水測試結(jié)果來看，低粗糙度棕化藥水確實可以有效降低銅面粗糙度，并提升信號完整性能力。但低粗糙度會導(dǎo)致銅面與基材的物理結(jié)合力下降，為保證可靠性，需要化學(xué)結(jié)合力加以補充。故隨著銅面粗糙度的降低，低粗糙度棕化藥水在銅面形成的有機層與樹脂之間的化學(xué)作用越重要。而以化學(xué)結(jié)合為主的低粗糙度棕化藥水會存在材料選擇性的問題，例如本實驗中A2藥水出現(xiàn)了分層問題。故物理結(jié)合、化學(xué)結(jié)合與高SI三者還是需要一個折中的探索，不能一味追求某一方面的表現(xiàn)，應(yīng)用時還要依實際需求進行取舍，否則就會顧此失彼。

（7）插損排序是以14 GHz的測量值進行對比，但是有些藥水的測試曲線略有波動，由于各藥水的插損差異很小，稍有波動都會影響對比結(jié)果，故實際使用前需要復(fù)測，在曲線平滑的情況下進行對比，結(jié)果更能反映真實情況。