銅箔質(zhì)量對(duì)印制板阻抗線寬控制失效影響分析

陳世金 鄧宏喜 楊詩偉 韓志偉 徐 緩（博敏電子股份有限公司 電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室梅州研發(fā)中心，廣東 梅州 514768）

銅箔質(zhì)量對(duì)印制板阻抗線寬控制失效影響分析

陳世金 鄧宏喜 楊詩偉 韓志偉 徐 緩
（博敏電子股份有限公司 電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室梅州研發(fā)中心，廣東 梅州 514768）

文章主要通過一個(gè)失效案例分析，查找到影響失效的原因?yàn)閮?nèi)層芯板銅箔質(zhì)量的存在一定的差異，造成用同樣參數(shù)制作出來的印制電路板其阻抗和線寬出現(xiàn)較大的差異，從而出現(xiàn)印制板的質(zhì)量控制失效問題。

電解銅箔；阻抗；線寬；蝕刻；失效

1 前言

電解銅箔作為印制電路板（PCB）最主要的原材料之一，一直隨著印制電路板的發(fā)展而發(fā)展，尤其是近十年的發(fā)展更是迅猛。近年來，電解銅箔一直向著“超薄化”和“高質(zhì)量”趨勢(shì)方向發(fā)展，以適應(yīng)印制電路板的發(fā)展需求和滿足不同客戶對(duì)銅箔質(zhì)量的要求，從而獲得更多的市場(chǎng)份額[1]。智能手機(jī)、平板電腦發(fā)展快，PCB線路很細(xì)，需用薄銅箔制作?；诔杀竞碗娊忏~箔物理性能提升等技術(shù)進(jìn)步因素，薄銅箔會(huì)逐漸改用電解銅箔為主[2]。因此，超薄電解銅箔在印制電路板中的應(yīng)用越來越多，隨著高密度互連（HDI）板的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)展，對(duì)電解銅箔的質(zhì)量也提出了更多、更新的要求。

在制作精細(xì)線路的HDI板時(shí)，銅箔質(zhì)量的微小差異即會(huì)導(dǎo)致PCB產(chǎn)品質(zhì)量的影響，如出現(xiàn)線寬、阻抗控制困難，甚至失效、產(chǎn)品報(bào)廢等。如何減少銅箔質(zhì)量對(duì)PCB產(chǎn)品質(zhì)量的影響，找出銅箔質(zhì)量對(duì)其影響的形成機(jī)理等，成為電子銅箔和PCB行業(yè)所需要共同攻克的難題。在此，筆者結(jié)合在工作中遇到的失效案例進(jìn)行分析，并闡述個(gè)人觀點(diǎn)，供業(yè)界工作者參考。

2 案例分析

2.1 現(xiàn)象描述

FQA（成品最終檢驗(yàn)）在成品出貨前抽檢某款PCB時(shí)，有一定數(shù)量的阻抗超標(biāo)（偏大）問題，具體數(shù)量及比例尚不明確。抽取PCB板測(cè)試其阻抗值如表1。

從表1中可以看出，阻抗超標(biāo)全部集中在L13層上，均是出現(xiàn)偏大問題，對(duì)于其出現(xiàn)阻抗偏大的原因，尚無法確定具體的產(chǎn)生原因。

2.2 原因分析

首先需要看一下特性阻抗的表征和計(jì)算方法（圖1）。

出現(xiàn)阻抗偏大的原因是很多的，如介電層種類、介電層厚度，阻抗線寬、線路銅厚等。而影響這些的因素又與基板材料、銅箔質(zhì)量和印制板加工參數(shù)等都是相關(guān)聯(lián)的，要找出真正的原因，需要通過一定的試驗(yàn)和檢測(cè)分析等手段，才能確定是何種因素或幾種因素引起的。

2.2.1 PCB部分

（1）工程設(shè)計(jì)不合理。

工程設(shè)計(jì)包括疊層結(jié)構(gòu)、粘結(jié)片種類、型號(hào)等，還包括芯板（core）銅厚的選擇、阻抗線寬和線間距的控制。此板是由5張芯板經(jīng)三次壓合而成的三階HDI板，其中3張芯板厚度為0.2 mm，2張芯板厚度為0.13 mm，芯板銅厚規(guī)格代號(hào)均為H/H，中間為4張2116（53%）的半固化片，兩邊各3張1080的半固化片（69%），其壓合疊構(gòu)圖如圖2所示。

其有阻抗設(shè)計(jì)的層次分別為L(zhǎng)4、L6、L11和L13，其中L13層有特性阻抗和差分阻抗兩種，這幾個(gè)層次分布在core1、core2、core4和core5四張芯板上。從F料號(hào)的壓合疊構(gòu)圖和阻抗控制表上來看，其設(shè)計(jì)是十分合理的，所使用的芯板和pp材料均為A廠家提供的，且在前幾批生產(chǎn)中均未發(fā)現(xiàn)阻抗超標(biāo)問題，故可排除PCB設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的阻抗超標(biāo)可能性。

（2）阻抗線寬控制。

從阻抗的計(jì)算方法可以看出，在除線寬所有以外因素一定的前提下，線細(xì)會(huì)導(dǎo)致阻抗的偏高。造成阻抗線細(xì)的原因有很多，經(jīng)查生產(chǎn)此批板的首件及過程記錄均處于正常受控狀態(tài)，各線寬均符合MI要求，而此批板共18套全部為同一時(shí)段連續(xù)制作，可排除由于藥液參數(shù)不穩(wěn)定或蝕刻線速控制不精確引起的蝕刻后線寬變化。

此5張core均不需要經(jīng)過鍍銅工序，直接由覆銅板提供的，故也可排除PCB制作中銅厚引起的蝕刻線寬不一致的可能。但是，經(jīng)過切片分析發(fā)現(xiàn)，部分阻抗線寬確實(shí)存在線細(xì)問題，至于這個(gè)線細(xì)產(chǎn)生的原因到底是由什么原因引起，將在后文中說明。

（3）其它制程影響。

除此之外，影響阻抗的因素在PCB制作中還有涉及到壓合、阻焊等制程參數(shù)的控制，而通過注意排查，發(fā)現(xiàn)這些制程的控制均不會(huì)對(duì)阻抗的控制造成較大的影響。

2.2.2 CCL部分

（1）銅箔。

從PCB設(shè)計(jì)和選材方面可以看出，此5張core所使用的規(guī)格是有兩種的，為區(qū)分可稱之為M和N兩種，M厚度為0.2 mm（不含銅），N厚度為0.13 mm（不含銅），銅箔厚度規(guī)格代號(hào)均為H/H（約15 μm）。

隨機(jī)抽測(cè)5塊0.2 mm芯板和5塊0.13 mm芯板，每塊測(cè)試9個(gè)點(diǎn)的基板銅厚，發(fā)現(xiàn)銅厚并無較大的差異，均勻性也很好，這將進(jìn)一步證明此阻抗超標(biāo)不是由于基板銅厚差異引起的。但是，我們對(duì)比正常板與異常板的阻抗線寬不難發(fā)現(xiàn)，其線寬存在一定的差異。

既然銅箔厚度是一樣的，PCB制作參數(shù)又是相同的，那么造成蝕刻后線寬的差異只有是銅箔本身的質(zhì)量。為驗(yàn)證我們的猜想是否正確，我們?cè)诤竺嫘枰鱿嚓P(guān)驗(yàn)證試驗(yàn)，具體驗(yàn)證方法和結(jié)果參見下文講述。

（2）粘結(jié)片。

為驗(yàn)證粘結(jié)片對(duì)阻抗線寬造成的影響，我們對(duì)粘結(jié)片的外觀、物理性能、厚度等進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)粘結(jié)片的種類、規(guī)格及物性等均符合IPC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求[3]。

至此，我們基本可以將排查范圍進(jìn)一步縮小，對(duì)阻抗線寬造成影響的原因暫可設(shè)想為銅箔質(zhì)量造成，但是需要做相關(guān)驗(yàn)證試驗(yàn)，才能確定真正原因。

2.2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證銅箔質(zhì)量引起阻抗線寬控制失效，我們特別進(jìn)行了如下相關(guān)測(cè)試和驗(yàn)證試驗(yàn)。

（1）銅箔外觀。

經(jīng)比較M和N芯板的銅箔外觀，發(fā)現(xiàn)兩種銅箔的顏色有一定的差異，M芯板銅箔上呈現(xiàn)淺紅色，而N芯板呈現(xiàn)暗紅色，光亮度有明顯的不同。通過查尋生產(chǎn)批次及詢問覆銅板廠家，發(fā)現(xiàn)此兩個(gè)型號(hào)的芯板使用了不同廠家的銅箔，具體批號(hào)和用量均可以查到，但未加區(qū)分標(biāo)示，也未通知PCB廠家。

（2）SEM觀察。

對(duì)兩種芯板所使用銅箔進(jìn)行SEM觀察，發(fā)現(xiàn)其結(jié)晶也存在一定的差異，具體如圖3所示。

通過SEM觀察發(fā)現(xiàn)，M型號(hào)芯板銅箔的結(jié)晶相對(duì)粗糙，而N型號(hào)芯板的銅箔結(jié)晶則較為細(xì)膩，結(jié)晶細(xì)膩的其致密性相對(duì)較好，而粗糙的致密性較差，耐蝕刻藥水攻擊的能力也就較差， 這一點(diǎn)通過試驗(yàn)很容易得到相應(yīng)的結(jié)論。

（3）蝕刻后阻抗線寬測(cè)試。

對(duì)兩種不同銅箔制作的芯板進(jìn)行蝕刻后阻抗線寬的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)確實(shí)會(huì)出現(xiàn)與我們?cè)O(shè)想相同的結(jié)果，即以相同參數(shù)制作線路圖形和蝕刻，再進(jìn)行阻抗線寬測(cè)試，二者存在一定的差異，測(cè)試數(shù)據(jù)各選取一組進(jìn)行比較（表2）。

此測(cè)試數(shù)據(jù)也看出M型號(hào)芯板和N型號(hào)芯板的在蝕刻后阻抗線寬有較大的差異，M型號(hào)阻抗線寬控制已經(jīng)超出±10%的公差范圍，甚至部分已經(jīng)±20%，也就是說這種過大的偏差可以引起阻抗偏高。也就是說，二者在以同樣的蝕刻參數(shù)制作出來后，由于兩種芯板使用了不同廠家的銅箔，其銅箔結(jié)晶存在差異，在質(zhì)量和性能上也就會(huì)出現(xiàn)差異，從而導(dǎo)致蝕刻后阻抗線寬的差異，最終影響到阻抗的控制。

3 結(jié)論

根據(jù)以上案例分析及試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，說明芯板的銅箔質(zhì)量會(huì)對(duì)印制線路板的阻抗控制造成影響。改善此類問題，一是需要從銅箔生產(chǎn)企業(yè)的制造工藝進(jìn)行改良和優(yōu)化，使生產(chǎn)出來的銅箔結(jié)晶更加細(xì)膩、致密性良好；二是印制電路板企業(yè)對(duì)不同銅箔廠家生產(chǎn)出來的銅箔進(jìn)行分類制作，并針對(duì)不同銅箔廠家提供的各種規(guī)格銅箔，試驗(yàn)并制定出合適的制作參數(shù)。

4 結(jié)語及展望

隨著消費(fèi)類電子產(chǎn)品的飛速發(fā)展，PCB技術(shù)也必須緊隨其發(fā)展。材料的質(zhì)量、性能會(huì)直接影響到PCB產(chǎn)品的質(zhì)量，電子銅箔作為CCL和PCB最重要的原材料，雖然其制備步驟相對(duì)簡(jiǎn)單，但要達(dá)到銅箔基板所需的厚度、均勻性佳和性能優(yōu)異則都是該生產(chǎn)技術(shù)的關(guān)鍵所在。尤其是超薄銅箔是未來急速成長(zhǎng)的產(chǎn)品，希望國(guó)內(nèi)更多的銅箔生產(chǎn)廠家不斷提升技術(shù)實(shí)力，發(fā)展超薄、特殊和附加值高的電解銅箔，以擺脫大宗市場(chǎng)的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)，并創(chuàng)造更大的利潤(rùn)空間。

本論文得到2013年廣東省省部產(chǎn)學(xué)研重大專項(xiàng)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2012A090300007，項(xiàng)目名稱：高頻高速電路板和通信終端產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化）的支持!

[1]陳世金, 徐緩, 羅旭等. 超薄銅箔在印制電路板中加工難點(diǎn)探討[J]. 印制電路信息,2013,4∶187-191.

[2]梁志立. 中國(guó)印制電路板用材料現(xiàn)狀與未來[N].印制電路信息496期∶ 2013,8,5.

[3]陳世金, 鄧宏喜, 李志丹等. 不同樹脂含量粘結(jié)片對(duì)PCB產(chǎn)品質(zhì)量影響研究[C]. 第十四屆中國(guó)覆銅板技術(shù)·市場(chǎng)研討會(huì)論文集, 覆銅板資訊2013.09∶121-125.

陳世金，研發(fā)部副經(jīng)理，主要從事新技術(shù)研究及新產(chǎn)品的開發(fā)。

Discussion on the Impact of Copper Foil Quality to the Failure of Control of the Impedance of PCB Line Width

CHEN Shi-jin DENG Hong-xi YANG Shi-wei HAN Zhi-wei XU Huan

In this article,through the analysis of a failure case, it tried to find the reason for the inner core board difference of the quality of the copper foil, which made a great difference between the printed circuit board of the impedance and line width, thus the quality of PCB control failure.

Electrolytic Copper Foil; Impedance; Line Width; Etching; Failure

TN41

A

1009-0096（2014）02-0051-04