PCB內(nèi)埋入空氣腔體制作工藝研究

李民善 紀(jì)成光 袁繼旺（東莞生益電子有限公司，廣東 東莞 523127）

PCB內(nèi)埋入空氣腔體制作工藝研究

Paper Code: S-086

李民善 紀(jì)成光 袁繼旺
（東莞生益電子有限公司，廣東 東莞 523127）

通訊技術(shù)的高速化要求PCB具有傳輸損失（α）小、傳輸延遲時(shí)間（Tpd）短、信號(hào)傳輸?shù)氖д嫘〉奶匦裕@就要求PCB使用的基板材料有優(yōu)秀的介電特性，以及對(duì)特性阻抗（Zo）的高精度控制。空氣的Dk（1.00053）僅次于真空下的Dk。因此如果能在背板的阻抗線路位置制作成空氣腔體，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高質(zhì)量高速傳遞。文章采用低流膠粘結(jié)材料/掩膜材料在PCB內(nèi)埋入多個(gè)、多層空氣腔體，對(duì)比了不同空腔材料制作空氣腔體的空腔形態(tài)、耐熱性能，研究了空腔形態(tài)的影響因素。

空氣腔體；流膠；掩模材料

1 背景

21世紀(jì)進(jìn)入了高度信息化的社會(huì)，IT產(chǎn)業(yè)成為了21世紀(jì)中具有典型代表性的產(chǎn)業(yè),發(fā)展IT 產(chǎn)業(yè)的重要技術(shù)基礎(chǔ)是高速、高頻、大容量的信號(hào)傳輸，電子產(chǎn)品與通信產(chǎn)品在高速化方面的迅速發(fā)展是顯而易見(jiàn)的。在發(fā)展高速化PCB產(chǎn)業(yè)中，從它的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，到選擇基板材料、產(chǎn)品制作、產(chǎn)品檢驗(yàn)處處都包含著新技術(shù)、新水平，它的應(yīng)用領(lǐng)域也提升到一個(gè)新的高檔次。因此，可以認(rèn)為高速化PCB產(chǎn)業(yè)，是帶有高附加值的、具有“知識(shí)經(jīng)濟(jì)”產(chǎn)業(yè)。發(fā)展高速化PCB產(chǎn)品，將給PCB業(yè)帶來(lái)新的商機(jī)、新的廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。Dk、Df兩個(gè)介電特性，和基板材料絕緣層的厚度、導(dǎo)電層的電路圖形形狀等，一起構(gòu)成了對(duì)特性阻抗值高精度控制的三個(gè)重要因素[1]。

高速化的PCB特性，一方面是由PCB的基板材料特性所保證的，要達(dá)到上述的特性，就需要基板材料具有低Dk、低Df的特性；另一方面，從PCB設(shè)計(jì)上著手，降低介質(zhì)材料的Dk、Df值，也是一種低成本、便捷的途徑。從電子信號(hào)傳輸速度計(jì)算公式：

V=K×C/Dk（K為常數(shù)，C為光速，Dk表示基板的介電常數(shù)）

可知，降低基板材料的Dk值，有利于提高信號(hào)的傳播速度?？諝獾腄k（1.00053）僅次于真空下的Dk （1.000），如果減小上述公式中的Dk，則信號(hào)傳輸速度V可望得到明顯提升。因此如果能在背板的阻抗線路位置制作成空氣腔體，則有望極大地提高背板的信號(hào)傳輸速度、減少介質(zhì)損失和信號(hào)傳輸延遲時(shí)間[2]。

該設(shè)計(jì)有如下特點(diǎn)：（1）在內(nèi)層信號(hào)層差分線位置設(shè)計(jì)空氣腔體，腔體與同層內(nèi)其余圖形和其它層隔離。（2）電源層/地層一般不設(shè)計(jì)空氣腔體。（3）空氣腔體寬度取決于差分線線寬/間距，長(zhǎng)度取決于差分線長(zhǎng)度。（4）在層間互連位置（導(dǎo)通孔）無(wú)法設(shè)計(jì)空氣腔體。

2 試驗(yàn)方案

基于空腔設(shè)計(jì)特點(diǎn)和研究經(jīng)驗(yàn)，埋入空氣腔體主要有2種制作方法：

（1）使用不流動(dòng)/低流動(dòng)粘結(jié)材料，通過(guò)在粘結(jié)材料上預(yù)開(kāi)槽（空氣腔體圖形），層壓排板時(shí)通過(guò)粘結(jié)材料與內(nèi)層芯板的對(duì)位，使差分線位于粘結(jié)材料上的預(yù)開(kāi)槽位置，通過(guò)控制壓合參數(shù)避免熔融的粘結(jié)材料流入開(kāi)槽，從而實(shí)現(xiàn)多層PCB內(nèi)埋入空氣腔體。該工藝經(jīng)研究證明流膠較難控制，且膠層耐常規(guī)化學(xué)藥水能力較差，難以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。（2）使用掩膜材料在內(nèi)層芯板差分線位置預(yù)制空氣腔體圖形，再使用不流動(dòng)/低流動(dòng)粘結(jié)材料將帶有掩膜材料的內(nèi)層芯板壓合粘結(jié)成多層PCB，從而在多層PCB內(nèi)埋入空氣腔體。該方法關(guān)鍵在于尋找低流膠、高耐熱性能且耐化學(xué)藥水的掩模材料和粘結(jié)材料。由于粘結(jié)層用于粘結(jié)表面芯板或蓋有掩膜圖形的芯板，且粘結(jié)層介于PCB線路與地層之間，故要求粘結(jié)材料流膠量要低（否則無(wú)法制作空腔）、厚度要均勻性好（否則影響空腔尺寸均勻性）、介電常數(shù)較小（減少介質(zhì)損耗）。綜上考慮，初步選用NFPP S1、S2和A1，界面材料D1以及掩模材料D2試驗(yàn)制作空腔。各種材料性能如表1所示。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單4L板，在2、3L設(shè)計(jì)重疊或不重疊的線路，配合在線路位置制作掩模開(kāi)窗，實(shí)現(xiàn)單個(gè)空氣腔體或2個(gè)空氣腔體疊加。線路設(shè)計(jì)模擬常用的差分線、單線等背板布線設(shè)計(jì)，配合低流膠粘結(jié)材料壓合制成埋空腔。

PCB工藝流程：開(kāi)料→內(nèi)層干膜→內(nèi)層沖孔→外干膜1→噴砂磨板→等離子體1→棕化→烘板1→層壓→鉆孔→等離子體→沉銅→外層干膜→圖形電鍍→外層蝕刻→掩模→沉金→測(cè)試

表1 空腔材料性能

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用較厚的芯板（0.51 mm）制作線路圖形、絲印掩模后與粘結(jié)材料壓合，同時(shí)設(shè)計(jì)有距線路距離不等（0.2 mm ～ 0.4 mm）的沉銅孔（刀徑0.3 mm），主要考察掩模與粘結(jié)材料結(jié)合的可靠性、不同膠含量的粘結(jié)材料配合掩模開(kāi)窗制作的空腔形狀、內(nèi)部含掩模層的PCB制作沉銅孔的可行性以及沉銅孔距空腔的安全距離。

3.1 芯板制作掩模圖形效果

考慮到制作有線路的芯板制作掩模圖形、掩模圖形表面粗化過(guò)程都可能造成線路損傷，檢查芯板制作掩模圖形效果如下：

表2 芯板掩模圖形處理粗化效果

(表2 續(xù)表)

3.2 空腔形態(tài)切片分析

層壓后、熱應(yīng)力（260 ℃/10 s/3次）后切片檢查埋空腔位置的空腔形態(tài)，結(jié)果如下。

表3 空腔形態(tài)切片分析（層壓后&熱應(yīng)力后）

從上述分析結(jié)果可見(jiàn)：

（1）S1、D1材料流膠較多，其制作的空腔形態(tài)不完整，無(wú)法保護(hù)空腔內(nèi)的差分線。

（2）S2、A1材料流膠較少，其制作的空腔形態(tài)完整，空腔內(nèi)差分線被空氣有效隔離。

（3）S1、D1、A1材料配合掩模材料制作的空腔在熱應(yīng)力后出現(xiàn)分層問(wèn)題，而S2材料配合掩模材料制作的空腔則可通過(guò)熱應(yīng)力測(cè)試。

3.3 空腔形態(tài)影響因素分析

3.1.1 鉆孔到空腔距離對(duì)空腔形態(tài)的影響

沉銅后取埋空腔位置切片，檢查不同孔到線距離設(shè)計(jì)的空腔形態(tài)，結(jié)果如下。

表4 不同孔到線距離設(shè)計(jì)的空腔形態(tài)檢查結(jié)果

從上述切片可見(jiàn)：（1）鉆孔到空腔邊緣距離大于0.12mm不到造成空腔破損，不影響空腔形態(tài)；（2）邊緣的空腔內(nèi)填膠嚴(yán)重、而遠(yuǎn)離鉆孔位置的空腔內(nèi)填膠較少，但鉆孔是在層壓后完成，因此鉆孔不會(huì)對(duì)空腔內(nèi)填膠狀況有影響。

初步分析空腔內(nèi)填膠原因如下：（1）鉆孔邊緣的空腔處于芯板掩模覆蓋的大銅面與大銅面壓合的邊緣，該處位置層壓時(shí)不會(huì)失壓，因此大銅面間熔融的樹(shù)脂會(huì)受壓流動(dòng)到空腔位置填充空腔；（2）遠(yuǎn)離鉆孔位置的空腔則處于相對(duì)較大面積的差分線/掩模復(fù)合區(qū)域，該位置壓合時(shí)相對(duì)容易失壓，熔融的樹(shù)脂受壓較小，不容易流動(dòng)、填充到空腔內(nèi)。

3.3.2 鉆孔到空腔距離對(duì)空腔形態(tài)的影響

為證實(shí)前文分析，對(duì)空腔位置取切片分析，檢查設(shè)計(jì)成一排的9組差分線（左右側(cè)鉆孔）所在空腔內(nèi)的填膠情況，通過(guò)計(jì)分法評(píng)估空腔相對(duì)于銅面位置、銅面尺寸對(duì)空腔形態(tài)的影響。

統(tǒng)計(jì)10個(gè)切片共90個(gè)空腔的評(píng)分情況，結(jié)果如表5所示。

表5 空腔形態(tài)計(jì)分統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從上述分析可見(jiàn)，空腔形態(tài)與空腔距大銅面距離有一定關(guān)系：（1）空腔形態(tài)評(píng)分隨空腔距大銅面距離的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)，大銅面尺寸對(duì)空腔形態(tài)影響明顯；（2）空腔周?chē)拇筱~面尺寸越大，銅面附近的空腔形態(tài)評(píng)分越低，說(shuō)明大銅面位置流膠更容易填充到銅面附近的空腔內(nèi)。上述分析結(jié)果與前文“鉆孔邊緣的空腔處于芯板掩模覆蓋的大銅面與大銅面壓合的邊緣，該處位置層壓時(shí)不會(huì)失壓，因此大銅面間熔融的樹(shù)脂會(huì)受壓流動(dòng)到空腔位置填充空腔”分析結(jié)果相印證，表明空腔邊緣如設(shè)計(jì)有大銅面，則需要加大空腔內(nèi)差分線到掩模材料的安全距離，以免壓合后流膠填充到空腔邊緣。

3.3.3 掩模開(kāi)窗大小對(duì)空腔形態(tài)影響

空腔形態(tài)與空腔內(nèi)填膠有關(guān)，但即使空腔形態(tài)完整，但是空腔內(nèi)差分線到掩模材料、粘結(jié)材料等介質(zhì)的安全距離不夠，也會(huì)影響信號(hào)傳輸質(zhì)量，可見(jiàn)掩模開(kāi)窗大小對(duì)空腔形態(tài)可能也有影響。取成品板埋空腔位置切片，測(cè)量28個(gè)空腔的實(shí)際掩模開(kāi)窗大小，評(píng)估掩模開(kāi)窗大小對(duì)空腔形態(tài)的影響，空腔形態(tài)評(píng)分方法參考圖8及表6的方法，對(duì)于每個(gè)空腔包含4個(gè)掩模開(kāi)窗位置，每個(gè)位置評(píng)分包線到掩模位置和線頂位置含2部分。

表6 空腔形態(tài)評(píng)分方法2

評(píng)分結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表7，并做散點(diǎn)圖分析空腔形態(tài)與掩模開(kāi)窗尺寸的關(guān)系如圖9。

從上圖分析可見(jiàn)：（1）實(shí)測(cè)掩模開(kāi)窗尺寸在0～132 mm之間，空腔形態(tài)評(píng)分在0～10分之間；（2）掩模開(kāi)窗尺寸大小與空腔形態(tài)沒(méi)有明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系，可能是掩模開(kāi)窗尺寸對(duì)空腔形態(tài)影響不明顯，本實(shí)驗(yàn)中被NFPP流膠的影響所掩蓋。

4 總結(jié)

（1）在已制作線路圖形的厚芯板上制作掩模圖形，經(jīng)表面粗化后使用低流膠的NFPP S2壓合成多層板，可制作出多層、多個(gè)形態(tài)良好的空氣腔體。

表7 掩模開(kāi)窗大?。é蘭）的空腔形態(tài)評(píng)分結(jié)果

（2）鉆孔到空腔邊緣距離大于0.12mm不會(huì)造成空腔破損，不影響空腔形態(tài)。

（3）大銅面邊緣的空腔位置層壓時(shí)不會(huì)失壓，大銅面位置熔融的樹(shù)脂會(huì)受壓流動(dòng)到空腔位置填充空腔導(dǎo)致空腔形態(tài)較差，需要增加大銅面附近的空腔內(nèi)差分線到空腔邊緣的距離，保證信號(hào)傳輸效果。

（4）S2材料配合掩模材料制作的空腔經(jīng)過(guò)260 ℃/10 s/3次的熱應(yīng)力測(cè)試后，空腔不會(huì)爆裂，NFPP與銅面、掩模材料界面無(wú)分層和裂紋。

5 后記

本文對(duì)于PCB埋空腔的研究?jī)H限于小尺寸的低層板，距離埋空腔在高多層大背板PCB上的應(yīng)用還有很大差距。希望能拋磚引玉，激發(fā)行業(yè)同仁繼續(xù)開(kāi)展對(duì)于空腔形態(tài)控制、空腔內(nèi)阻抗精度和均勻性控制的深入研究，使埋空腔這一新型工藝早日應(yīng)用在通訊類(lèi)PCB產(chǎn)品中，發(fā)揮其“提高信號(hào)傳輸速度、減少介質(zhì)損失和信號(hào)傳輸延遲時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高質(zhì)量高速傳遞”的美好前景。

[1]林敏. 高速電路板的設(shè)計(jì)及特性阻抗控制[C]. 第七屆全國(guó)印制電路學(xué)術(shù)年會(huì)論文集, 2004.

[2]林金堵,吳梅珠. 積層板內(nèi)層結(jié)合力的探討[J]. 印制電路信息, 2010.11.

[3]李安慶,孫玉發(fā). 空氣帶狀線交叉耦合腔體3db電橋設(shè)計(jì)[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2012.6.

李民善，研發(fā)中心工程師，多年來(lái)專(zhuān)注于高端通訊用線路板制作工藝研發(fā)，發(fā)表多篇PCB技術(shù)論文。

Research on process of air-cavity embedded in PCB

LI Ming-shan JI Cheng-guang YUAN Ji-wang

The high-speed communication demand lower loss(α), smaller delay and lower distortion in signal transmission, which requires PCB using material with excellent Dk&Df, as well as high impedance accuracy. With 1.00053 Dk, which is surely higher to vacuum, air cavity in PCB would show higher signal transmission speed, lower distortion and smaller delay. Several air cavities were embedded into different layer of the multi-layer PCB with different low flow resin and mask material. The shape, reliability and influence factor of air cavity were studied in the paper.

Air-Cavity; Resin Flow; Mask Material

TN41

：A

1009-0096（2015）03-0191-06