低粗糙度棕化液表面處理對(duì)PCB的信號(hào)完整性影響研究

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

PCB由設(shè)計(jì)到制造的過程中，其信號(hào)的傳輸質(zhì)量，即信號(hào)完整性會(huì)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(hào)在高頻段傳輸時(shí)，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(dá)到1 GHz時(shí)，信號(hào)在導(dǎo)線表面的傳輸深度為2.1 μm，此時(shí)若線路表面粗糙度是3～5 μm，信號(hào)則在粗糙度的厚度范圍內(nèi)傳輸[2]。故當(dāng)信號(hào)到10 GHz以上高頻段時(shí)，信號(hào)傳輸深度僅0.7 μm，信號(hào)仍是在粗糙度厚度范圍內(nèi)傳輸。當(dāng)信號(hào)僅在粗糙的厚度范圍內(nèi)傳輸時(shí)，其駐波、反射增強(qiáng)，信號(hào)傳輸路徑加長(zhǎng)，損耗增加，信號(hào)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(hào)完整性的一個(gè)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(shí)，其主要目的是增加銅面粗糙度，增強(qiáng)內(nèi)層銅面與基材強(qiáng)與半固化樹脂的黏結(jié)力。棕化不僅可以增強(qiáng)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(jìn)一步腐蝕，保護(hù)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(hào)傳輸損耗的增加。

普通棕化藥水對(duì)銅面的咬蝕量較大，難以達(dá)到PCB的高信號(hào)傳輸要求，為改善棕化時(shí)銅面粗糙度增加對(duì)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(shí)，有效降低銅面粗糙度，增加信號(hào)傳輸效率。本文主要通過對(duì)比普通棕化藥水，比較不同低粗糙度棕化藥水對(duì)PCB的信號(hào)完整性影響。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

2.1.1 測(cè)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(cè)試藥水

棕化藥水共對(duì)比測(cè)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(cè)試設(shè)備

3D激光測(cè)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(qiáng)度測(cè)試儀（正業(yè)，DS2-200N），自動(dòng)取樣機(jī)（愛思達(dá)），錫爐（群翔，KC3047），8溫區(qū)無鉛全自動(dòng)回流焊（科盛，ZKS-608）。

2.2 測(cè)試板設(shè)計(jì)與制作流程

2.2.1 測(cè)試板設(shè)計(jì)

信號(hào)測(cè)試板為6層板，疊構(gòu)設(shè)計(jì)中，L2/L5為信號(hào)層，L3/L4為參考層。信號(hào)傳輸線為差分線，一面6組，共12組，差分成品阻抗設(shè)計(jì)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(cè)試板制作流程

下料-內(nèi)層圖形轉(zhuǎn)移-內(nèi)層AOI（自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)）-棕化（不同粗糙度藥水處理棕化）-烘板-壓合-機(jī)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(cè)試-化鎳金-文字-成型-終檢-成品。

2.3 測(cè)試項(xiàng)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(duì)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(cè)量顯微鏡測(cè)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(qiáng)度

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

2.3.4 插入損耗

使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試成品板傳輸線的插入損耗，繪制在測(cè)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(duì)銅面微觀形貌的影響

利用（掃描電子顯微鏡）分析對(duì)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(jìn)行對(duì)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(duì)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?yàn)锳0＞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(duì)銅面粗糙度的影響

使用3D測(cè)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(biāo)有Ra、Rz、Rq和Sa、Sz、Sq、表面積比等，其中穩(wěn)定性較好的測(cè)量指標(biāo)為Ra、Sa、表面積比，故選用這三個(gè)數(shù)據(jù)作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，Rz、Sz作為參考評(píng)價(jià)指標(biāo)[3]。測(cè)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(duì)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(duì)剝離強(qiáng)度的影響

使用剝離強(qiáng)度測(cè)試儀測(cè)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(qiáng)度，測(cè)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(qiáng)度。可以看到IR*5前后剝離強(qiáng)度的大小順序基本沒有變化，且回流焊后的剝離強(qiáng)度普遍大于回流焊前的。從回流焊前后的剝離強(qiáng)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(duì)較差，＜0.175 N/mm，其中A2處理后的剝離強(qiáng)度最差。低粗糙度棕化藥水與樹脂間的機(jī)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(qiáng)度測(cè)試結(jié)果圖

圖5 IR＊5后銅面與PP剝離強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果圖

剝離強(qiáng)度按由大到小排序?yàn)锽2＞A0＞A1/D＞B1＞C＞A2。結(jié)合表面粗糙度結(jié)果來看，剝離強(qiáng)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(jī)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(duì)信號(hào)傳輸線可靠性的影響

對(duì)經(jīng)過二代藥水A2及B2處理的成品板在傳輸線信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)。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(duì)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(duì)信號(hào)傳輸線插入損耗的影響

使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試成品板的信號(hào)傳輸線在0～20 GHz頻率范圍內(nèi)的插入損耗，分析對(duì)比不同棕化藥水表面處理對(duì)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(hào)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(hào)傳輸頻率的增大而增大，線型的抖動(dòng)主要是受諧振影響。在低頻率下，信號(hào)在銅面的傳輸深度較深，此時(shí)影響信號(hào)插入損耗的因素主要是介質(zhì)，由于測(cè)試中所有棕化藥水處理的材料一致，故低頻時(shí)各處理方式的插入損耗基本一致。但隨著信號(hào)傳輸頻率增大，信號(hào)傳輸深度越小，銅面粗糙度對(duì)信號(hào)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(cè)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(duì)比A0，插入損耗收益按從大到小排序?yàn)锳2＞C＞B2＞A1＞B1＞D＞A0。

圖9 插入損耗收益統(tǒng)計(jì)表圖

4 總結(jié)

（1）PCB內(nèi)層經(jīng)過棕化處理后會(huì)改變銅面表面形貌及粗糙度，進(jìn)而影響線路傳輸信號(hào)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(hào)完整性能力。

（2）測(cè)試結(jié)果表明：SE微觀粗糙度由大到小排序?yàn)锳0＞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(qiáng)度按由大到小排序?yàn)锽2＞A0＞A1/D＞B1＞C＞A2；插入損耗收益按從大到小排序?yàn)锳2＞C＞B2＞A1＞B1＞D＞A0。

（3）SEM觀察結(jié)果與粗糙度測(cè)試結(jié)果基本吻合，粗糙度結(jié)果與插損測(cè)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(cè)試中有幾款藥水的表現(xiàn)值得關(guān)注。在測(cè)試的藥水中，B2的綜合表現(xiàn)最好，粗糙度降低的同時(shí)獲得最佳的剝離強(qiáng)度，在具有良好SI（信號(hào)完整性）性能的同時(shí)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(qiáng)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(hào)完整性）表現(xiàn)接近且優(yōu)于B2。A2與C雖達(dá)到最佳的SI，同時(shí)粗糙度最低，但剝離強(qiáng)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(shí)對(duì)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(jī)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(qiáng)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(duì)銅面粗糙度影響的同時(shí)也獲得優(yōu)異的SI，但剝離強(qiáng)度隨之變差，出現(xiàn)分層。結(jié)合其他藥水測(cè)試結(jié)果來看，低粗糙度棕化藥水確實(shí)可以有效降低銅面粗糙度，并提升信號(hào)完整性能力。但低粗糙度會(huì)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(bǔ)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(jī)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(huì)存在材料選擇性的問題，例如本實(shí)驗(yàn)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(gè)折中的探索，不能一味追求某一方面的表現(xiàn)，應(yīng)用時(shí)還要依實(shí)際需求進(jìn)行取舍，否則就會(huì)顧此失彼。

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