铜箔质量对印制板阻抗线宽控制失效影响分析

陈世金 邓宏喜 杨诗伟 韩志伟 徐 缓（博敏电子股份有限公司 电子薄膜与集成器件国家重点实验室梅州研发中心，广东 梅州 514768）

铜箔质量对印制板阻抗线宽控制失效影响分析

陈世金 邓宏喜 杨诗伟 韩志伟 徐 缓
（博敏电子股份有限公司 电子薄膜与集成器件国家重点实验室梅州研发中心，广东 梅州 514768）

文章主要通过一个失效案例分析，查找到影响失效的原因为内层芯板铜箔质量的存在一定的差异，造成用同样参数制作出来的印制电路板其阻抗和线宽出现较大的差异，从而出现印制板的质量控制失效问题。

电解铜箔；阻抗；线宽；蚀刻；失效

1 前言

电解铜箔作为印制电路板（PCB）最主要的原材料之一，一直随着印制电路板的发展而发展，尤其是近十年的发展更是迅猛。近年来，电解铜箔一直向着“超薄化”和“高质量”趋势方向发展，以适应印制电路板的发展需求和满足不同客户对铜箔质量的要求，从而获得更多的市场份额[1]。智能手机、平板电脑发展快，PCB线路很细，需用薄铜箔制作。基于成本和电解铜箔物理性能提升等技术进步因素，薄铜箔会逐渐改用电解铜箔为主[2]。因此，超薄电解铜箔在印制电路板中的应用越来越多，随着高密度互连（HDI）板的应用领域进一步扩展，对电解铜箔的质量也提出了更多、更新的要求。

在制作精细线路的HDI板时，铜箔质量的微小差异即会导致PCB产品质量的影响，如出现线宽、阻抗控制困难，甚至失效、产品报废等。如何减少铜箔质量对PCB产品质量的影响，找出铜箔质量对其影响的形成机理等，成为电子铜箔和PCB行业所需要共同攻克的难题。在此，笔者结合在工作中遇到的失效案例进行分析，并阐述个人观点，供业界工作者参考。

2 案例分析

2.1 现象描述

FQA（成品最终检验）在成品出货前抽检某款PCB时，有一定数量的阻抗超标（偏大）问题，具体数量及比例尚不明确。抽取PCB板测试其阻抗值如表1。

从表1中可以看出，阻抗超标全部集中在L13层上，均是出现偏大问题，对于其出现阻抗偏大的原因，尚无法确定具体的产生原因。

2.2 原因分析

首先需要看一下特性阻抗的表征和计算方法（图1）。

出现阻抗偏大的原因是很多的，如介电层种类、介电层厚度，阻抗线宽、线路铜厚等。而影响这些的因素又与基板材料、铜箔质量和印制板加工参数等都是相关联的，要找出真正的原因，需要通过一定的试验和检测分析等手段，才能确定是何种因素或几种因素引起的。

2.2.1 PCB部分

（1）工程设计不合理。

工程设计包括叠层结构、粘结片种类、型号等，还包括芯板（core）铜厚的选择、阻抗线宽和线间距的控制。此板是由5张芯板经三次压合而成的三阶HDI板，其中3张芯板厚度为0.2 mm，2张芯板厚度为0.13 mm，芯板铜厚规格代号均为H/H，中间为4张2116（53%）的半固化片，两边各3张1080的半固化片（69%），其压合叠构图如图2所示。

其有阻抗设计的层次分别为L4、L6、L11和L13，其中L13层有特性阻抗和差分阻抗两种，这几个层次分布在core1、core2、core4和core5四张芯板上。从F料号的压合叠构图和阻抗控制表上来看，其设计是十分合理的，所使用的芯板和pp材料均为A厂家提供的，且在前几批生产中均未发现阻抗超标问题，故可排除PCB设计不合理导致的阻抗超标可能性。

（2）阻抗线宽控制。

从阻抗的计算方法可以看出，在除线宽所有以外因素一定的前提下，线细会导致阻抗的偏高。造成阻抗线细的原因有很多，经查生产此批板的首件及过程记录均处于正常受控状态，各线宽均符合MI要求，而此批板共18套全部为同一时段连续制作，可排除由于药液参数不稳定或蚀刻线速控制不精确引起的蚀刻后线宽变化。

此5张core均不需要经过镀铜工序，直接由覆铜板提供的，故也可排除PCB制作中铜厚引起的蚀刻线宽不一致的可能。但是，经过切片分析发现，部分阻抗线宽确实存在线细问题，至于这个线细产生的原因到底是由什么原因引起，将在后文中说明。

（3）其它制程影响。

除此之外，影响阻抗的因素在PCB制作中还有涉及到压合、阻焊等制程参数的控制，而通过注意排查，发现这些制程的控制均不会对阻抗的控制造成较大的影响。

2.2.2 CCL部分

（1）铜箔。

从PCB设计和选材方面可以看出，此5张core所使用的规格是有两种的，为区分可称之为M和N两种，M厚度为0.2 mm（不含铜），N厚度为0.13 mm（不含铜），铜箔厚度规格代号均为H/H（约15 μm）。

随机抽测5块0.2 mm芯板和5块0.13 mm芯板，每块测试9个点的基板铜厚，发现铜厚并无较大的差异，均匀性也很好，这将进一步证明此阻抗超标不是由于基板铜厚差异引起的。但是，我们对比正常板与异常板的阻抗线宽不难发现，其线宽存在一定的差异。

既然铜箔厚度是一样的，PCB制作参数又是相同的，那么造成蚀刻后线宽的差异只有是铜箔本身的质量。为验证我们的猜想是否正确，我们在后面需要做相关验证试验，具体验证方法和结果参见下文讲述。

（2）粘结片。

为验证粘结片对阻抗线宽造成的影响，我们对粘结片的外观、物理性能、厚度等进行了相关测试，发现粘结片的种类、规格及物性等均符合IPC相关标准的要求[3]。

至此，我们基本可以将排查范围进一步缩小，对阻抗线宽造成影响的原因暂可设想为铜箔质量造成，但是需要做相关验证试验，才能确定真正原因。

2.2.3 试验验证

为验证铜箔质量引起阻抗线宽控制失效，我们特别进行了如下相关测试和验证试验。

（1）铜箔外观。

经比较M和N芯板的铜箔外观，发现两种铜箔的颜色有一定的差异，M芯板铜箔上呈现浅红色，而N芯板呈现暗红色，光亮度有明显的不同。通过查寻生产批次及询问覆铜板厂家，发现此两个型号的芯板使用了不同厂家的铜箔，具体批号和用量均可以查到，但未加区分标示，也未通知PCB厂家。

（2）SEM观察。

对两种芯板所使用铜箔进行SEM观察，发现其结晶也存在一定的差异，具体如图3所示。

通过SEM观察发现，M型号芯板铜箔的结晶相对粗糙，而N型号芯板的铜箔结晶则较为细腻，结晶细腻的其致密性相对较好，而粗糙的致密性较差，耐蚀刻药水攻击的能力也就较差， 这一点通过试验很容易得到相应的结论。

（3）蚀刻后阻抗线宽测试。

对两种不同铜箔制作的芯板进行蚀刻后阻抗线宽的测试，发现确实会出现与我们设想相同的结果，即以相同参数制作线路图形和蚀刻，再进行阻抗线宽测试，二者存在一定的差异，测试数据各选取一组进行比较（表2）。

此测试数据也看出M型号芯板和N型号芯板的在蚀刻后阻抗线宽有较大的差异，M型号阻抗线宽控制已经超出±10%的公差范围，甚至部分已经±20%，也就是说这种过大的偏差可以引起阻抗偏高。也就是说，二者在以同样的蚀刻参数制作出来后，由于两种芯板使用了不同厂家的铜箔，其铜箔结晶存在差异，在质量和性能上也就会出现差异，从而导致蚀刻后阻抗线宽的差异，最终影响到阻抗的控制。

3 结论

根据以上案例分析及试验验证结果，说明芯板的铜箔质量会对印制线路板的阻抗控制造成影响。改善此类问题，一是需要从铜箔生产企业的制造工艺进行改良和优化，使生产出来的铜箔结晶更加细腻、致密性良好；二是印制电路板企业对不同铜箔厂家生产出来的铜箔进行分类制作，并针对不同铜箔厂家提供的各种规格铜箔，试验并制定出合适的制作参数。

4 结语及展望

随着消费类电子产品的飞速发展，PCB技术也必须紧随其发展。材料的质量、性能会直接影响到PCB产品的质量，电子铜箔作为CCL和PCB最重要的原材料，虽然其制备步骤相对简单，但要达到铜箔基板所需的厚度、均匀性佳和性能优异则都是该生产技术的关键所在。尤其是超薄铜箔是未来急速成长的产品，希望国内更多的铜箔生产厂家不断提升技术实力，发展超薄、特殊和附加值高的电解铜箔，以摆脱大宗市场的价格竞争，并创造更大的利润空间。

本论文得到2013年广东省省部产学研重大专项项目（项目编号：2012A090300007，项目名称：高频高速电路板和通信终端产品关键技术研发及产业化）的支持!

[1]陈世金, 徐缓, 罗旭等. 超薄铜箔在印制电路板中加工难点探讨[J]. 印制电路信息,2013,4∶187-191.

[2]梁志立. 中国印制电路板用材料现状与未来[N].印制电路信息496期∶ 2013,8,5.

[3]陈世金, 邓宏喜, 李志丹等. 不同树脂含量粘结片对PCB产品质量影响研究[C]. 第十四届中国覆铜板技术·市场研讨会论文集, 覆铜板资讯2013.09∶121-125.

陈世金，研发部副经理，主要从事新技术研究及新产品的开发。

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