含膠量對介質(zhì)厚度均勻性及阻抗控制的影響

王紅飛 陳蓓

廣州興森快捷電路科技有限公司

1 前言

PCB生產(chǎn)中，常出現(xiàn)板邊與板中間介質(zhì)層厚度不一致問題，給板厚、阻抗精度控制帶來了不便。對需進(jìn)行阻抗控制的板，工程設(shè)計時一般會在板邊增加阻抗測試條，但由于板邊與板中間介質(zhì)層厚度偏差會導(dǎo)致板邊與板中間阻抗線的阻抗值產(chǎn)生偏差，影響阻抗精度控制。明確半固化片壓合后板邊與板中間厚度差異，及該差異引起的阻抗偏差，對于阻抗精度控制具有重要意義。此外，隨著高頻、高速電路的發(fā)展，PCB阻抗控制精度要求已由原來的±15%、±10%變化到±8%甚至±5%，為實(shí)現(xiàn)高精度阻抗的控制，必須了解層壓后介質(zhì)層厚度均勻性。本研究的目的是探討不同含膠量半固化片壓合后距板邊不同距離處介質(zhì)層厚度與板中間的差異，及該差異引起的阻抗值差異，從而為阻抗板的阻抗控制提供參考。

2 試驗(yàn)方法

2.1 材料與設(shè)備

材料：規(guī)格分別為106、1080、3313、7628半固化片，A公司提供。

設(shè)備：長臂測厚儀，真空壓機(jī)。

2.2 方法

分別用4張106、3張1080.、2張3313和1張7628固化片（尺寸為400 mm × 525 mm）與兩張34.3μm厚的銅箔進(jìn)行壓合，壓合后蝕刻掉表面銅箔，用長臂測厚儀測量板面不同位置厚度情況。然后通過軟件模擬計算板邊不同位置與板中間因介質(zhì)層厚度差導(dǎo)致的阻抗差異。

3 結(jié)果與討論

3.1 含膠量對介質(zhì)層厚度均勻性的影響

圖1為不同含膠量固化片壓合后板面不同位置厚度情況。由圖看出，除3張1080固化片壓合后厚度相對較厚，平均厚度為0.232 mm，其它固化片的壓合厚度相當(dāng)，約為0.2 mm；4張106固化片壓合后板面不同位置厚度差異明顯較大，其次是1080和7628固化片的，3313固化片壓合后不同位置介質(zhì)層厚度差異相對較小。表1為壓合后各PP片厚度平均厚度、極差、標(biāo)準(zhǔn)偏差及COV值。由表看出，106與1080板厚極差相對較高，分別為0.067與0.061 mm，而3313與7628壓合后板厚極差僅為0.024與0.034 mm，且106與1080的板厚標(biāo)準(zhǔn)偏差及COV值也明顯高于3313與7628的。

圖1 不同規(guī)格PP片壓合后厚度和均勻性的三維表征

表1 壓合后各PP片厚度平均值、極差、標(biāo)準(zhǔn)偏差及COV值

為研究距板邊不同距離處介質(zhì)層厚度與板中間的差異，對不同規(guī)格半固化片距離板邊25 mm、50 mm、75 mm和125 mm處的介質(zhì)層厚度進(jìn)行了統(tǒng)計，結(jié)果見圖2。由圖看出，與板邊距離增大，板厚呈增加趨勢，當(dāng)距板邊75 mm時，板厚基本達(dá)穩(wěn)定；壓合后106與1080板邊與板中的厚度差相對較大，分別達(dá)0.51mil和與0.69 mil，而3313與7628板邊與板中厚度差相對較小，分別為6μm與7.9μm。為了更直觀分析板邊不同位置與板中間厚度偏差，對圖2數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，結(jié)果見表2。由表看出，106與1080固化片壓合后，板邊25 mm處與板中間厚度偏差均在7%以上，3313和7628的相對較低，偏差分別為3.86%和5.38%；距離板邊50 mm處時，板邊與板中間厚度偏差明顯減小；當(dāng)距板邊75 mm時，與板中間厚度偏差在1.0%左右。，由于106與1080含膠量較高，壓合時板邊溢膠量相對較大，導(dǎo)致板邊厚度偏小。

圖2 不同含膠量PP片壓合后距板邊不同距離厚度情況

表2 板邊不同位置與板中間厚度偏差

試驗(yàn)表明：層壓后板邊介質(zhì)層厚度相對較薄，離板邊越近，其與板中間介質(zhì)層厚度差越大，且含膠量高的固化片，其介質(zhì)層厚度差也相對較高。半固化片在層壓過程中，B-Stage環(huán)氧樹脂因受熱成融融狀態(tài)，并向C-Stage轉(zhuǎn)變（見圖3），期間樹脂經(jīng)歷了軟化一粘流態(tài)一高彈態(tài)一硬化過程。粘流段樹脂在壓力作用下向四周流動，由板中心位置到板邊，樹脂的流膠長度逐漸大，越靠近中心，流膠長度越小，甚至在不太大的流膠情況下，中心位置樹脂基本不流動（見圖4）。這是由于中心部位樹脂受到周圍樹脂阻擋，難以流動。而在邊緣地帶， 由于阻力較小或沒有什么阻擋，粘流態(tài)的樹脂在壓力下流向板邊，甚至流出板邊，導(dǎo)致板邊介質(zhì)層厚度較板中間的薄。對于含膠量高的半固化片，其樹脂流動性表現(xiàn)的更加明顯，導(dǎo)致板邊地帶與板中間區(qū)域的介質(zhì)層厚度差異也越大。此外，層壓過程中，隨溫度時間的變化，樹脂的熔融粘度發(fā)生改變，熔融粘度曲線呈U形變化，最低點(diǎn)熔融粘度（Melt Viscosity）越低，樹脂流動性越強(qiáng)，板材流膠越大，導(dǎo)致板邊與板中的厚度差也越大。最低點(diǎn)熔融粘度受半固化片材料特性與熱壓程序影響較大，對于最低點(diǎn)熔融粘度較低的材料，可以通過降低升溫速率，或?qū)⒓訅簳r間推后的方法進(jìn)行改善。

圖3 樹脂固化過程

圖4 距板邊越近流膠長度越大

3.2 介質(zhì)層厚度均勻性對阻抗影響

影響特性阻抗的主要因素包括介質(zhì)層厚度（H）、介電常數(shù)（ε）、導(dǎo)線寬度（W）和線路厚度（T）。介質(zhì)層厚度不均勻?qū)ψ杩沟挠绊懼饕w現(xiàn)在兩個方面：（1）板面不同位置介質(zhì)層厚度不同會影響阻抗；（2）板邊流膠量大會導(dǎo)致板邊介質(zhì)層含膠量偏低，介電常數(shù)值偏大。

圖5為軟件模擬得到的介質(zhì)層厚度對表面單端微帶線阻抗值的影響情況。由圖看出，隨介質(zhì)層厚度不斷增加，阻抗值也不斷增加；介質(zhì)層厚度1.50 mm ～ 2.54 mm之間變化時，介質(zhì)層厚度每變化0.025 mm，引起的阻抗值變化約為4.0 ?。對于有阻抗要求的板，工程設(shè)計時往往需要制作阻抗測試條，而PCB生產(chǎn)廠家為節(jié)約成本，提高拼板利用率，拼板時往往會將阻抗測試條置于板邊，且阻抗測試條距板邊距離常不足25 mm。由于板邊流膠量大，介質(zhì)層厚度相對較薄，必然會導(dǎo)致板邊阻抗測試條阻抗值小于板中間阻抗線的。

圖5 介質(zhì)層厚度對阻抗的影響

（條件：介質(zhì)層介電常數(shù)為4.2；下線寬W1為0.15 mm；上線寬W2為0.14 mm；銅厚T為35μm）

半固化片是由各種材料“復(fù)合”而成，其介電常數(shù)是各組分介電常數(shù)的“加權(quán)和”，即介質(zhì)層中的各種組分的介電常數(shù)分別乘以體積比率之和，為介質(zhì)層的總介電常數(shù)。如以有機(jī)樹脂和增強(qiáng)玻璃纖維組成的基板材料，其總介電常數(shù)(εr)是有機(jī)樹脂介電常數(shù)(ε1)和增強(qiáng)玻璃纖維介電常數(shù)(ε2)的加權(quán)和，計算方法如下：

式中，V1表示有機(jī)樹脂在介質(zhì)層中所占體積比率；V2表示增強(qiáng)玻璃纖維在介質(zhì)層中所占體積比率。

本試驗(yàn)采用的半固化片由有機(jī)樹脂與玻璃纖維組成，V2可以用（1-V1）表示，因此公式（1）可以變換為：

由公式（2）可以得出，介質(zhì)層的介電常數(shù)與半固化片的含膠量成線性關(guān)系。對106和1080半固化片，由于板邊流膠量大使其含膠量較板中間區(qū)域低5%，對于本試驗(yàn)采用半固化片，樹脂與玻璃纖維的介電常數(shù)分別為3.0和6.0，通過計算得出，5%含膠量偏差會導(dǎo)致板邊的介電常數(shù)偏高約0.15。為分析介電常數(shù)對阻抗的影響，以表面單端微帶線為例，用軟件進(jìn)行了模擬計算，結(jié)果見圖6。由圖看出，隨介電常數(shù)增加，阻抗呈下降的趨勢，介電常數(shù)增加0.15會引起阻抗下降約0.8 ?。

圖6 介電常數(shù)對阻抗影響情況

（條件：介質(zhì)層厚度H為0.10 mm；下線寬W1為0.175 mm；上線寬W2為0.165 mm；銅厚T為35μm）

通過以上分析得出，板邊介質(zhì)層介質(zhì)層厚度、介電常數(shù)值偏大，均會導(dǎo)致板邊阻抗線的阻抗值較板中間的大。為研究介質(zhì)層厚度、介電常數(shù)偏差對阻抗的影響，及板邊不同區(qū)域與板中間區(qū)域的差異狀況，用軟件進(jìn)行了模擬計算。

圖7A和B分別為不同含膠量PP片壓合后距離板邊不同距離處與板中間區(qū)域因介質(zhì)層厚度、介電常數(shù)值偏差引起的內(nèi)、外層差分阻抗值差異情況。由圖7A看出，對于表面差分微帶線，距板邊越近，其阻抗值與板中間的差異越大，且含膠量越大差異也越大；對于106和1080固化片，距板邊25 mm處差分阻抗值與板中間差異在3.0 ? ～ 3.5 ?間，3313和7628的相對較低，在1.8 ? ～ 2.0 ?之間，距板邊距離大于等于50 mm時，介質(zhì)層厚度差異引起的阻抗值差可控制在1.0 ? ～ 2.0 ?之間；當(dāng)距板邊距離75 mm處與板中間差異在0.5 ?內(nèi)。由圖7B看出，對于各PP片，板邊25 mm處內(nèi)層差分帶狀線阻抗值與板中間差異在1.0 ? ～ 2.5 ?之間；距離板邊50 mm距離處的差分線的阻抗值與板中間的差異約為0.5 ? ～ 1.2 ?。結(jié)合圖7A和B看出，板邊與板中間介質(zhì)層厚度差對外層差分微帶線阻抗的影響明顯要大于其對內(nèi)層差分帶狀線的，且含膠量越高板邊與板中間阻抗差異越大。

圖7 不同含膠量PP壓合后板邊不同位置與板中差分阻抗差異（A為外層差分阻抗，B為內(nèi)層差分阻抗）

圖8（A、B）為不同含膠量PP片壓合后，距板邊不同位置處內(nèi)、外層單端阻抗值與板中間位置的差異。由圖8A看出，對于外層單端微帶線，106與1080壓合后板邊25 mm處與板中間阻抗差約為3.0 ?，3313和7628的差異相對較小約為1.5 ?；距離板邊50 mm以上時，與板中間差異均在1.5 ?內(nèi)。由圖8B看出，對于內(nèi)層單端帶狀線，對于各PP片，板邊25 mm處單端阻抗較板中間低0.8 ? ～ 1.8 ?；距板邊50 mm以上時，板邊與板中間單端阻抗差可控制在1.0 ?內(nèi)。試驗(yàn)同樣表明，板邊與板中間介質(zhì)層厚度差對外層單端微帶線阻抗值的影響要比其對內(nèi)層單端帶狀線的大。

圖8 不同含膠量PP壓合后板邊不同位置與板中單端阻抗差異（A為外層單端阻抗，B為內(nèi)層單端阻抗）

4 結(jié)論

通過試驗(yàn)得出，半固化片含膠量越低層壓后的板厚均勻性越好，106和1080半固化片，壓合后板邊與板中間厚度偏差達(dá)7%以上。板邊流膠量大不僅會導(dǎo)致板邊介質(zhì)層厚度偏薄，還會使板邊介質(zhì)層的介電常數(shù)值增大，而介質(zhì)層厚度偏薄、介電常數(shù)增大均會引起板邊阻抗線的阻抗值小于板中間的。對于106和1080半固化片，板邊25 mm處外層差分微帶線的阻抗值較板中間的小3.0 ? ～ 3.5 ?，外層單端微帶線的阻抗值較板中間約小3.0 ?；對于各規(guī)格半固化片，板邊50 mm處阻抗線的阻抗值與板中間阻抗值差異可控制在1.5 ?內(nèi)。

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