5G通信发展使印制板导通孔走上主导地位

林金堵

本刊名誉主编

随着5G通信的发展与进步，信号传输速度会越来越快、信号传输频率主要是向100 GHz以上发展，而相应的印制板（PCB）导体线、孔的数量、大小和结构等将会发生大的变化：或者说导线越来越小、越少化，甚至无线化；导通孔会越来越小、越多化，甚至全导通孔化。因此，信号在PCB导体内的传输过程会越来越多的在孔中进行。这样的结果，PCB导体中影响信号传输完整性的主要因素将由导线转为导通孔为主导地位。同理，导通孔的尺寸、表面状态等也存在着阻抗值变化课题，因此提高导通孔的质量将成为主要课题。实验表明，激光脉冲冲击时间越短，则倒锥形孔就越小越接近理想的导通孔，因此采用不产生热传导的飞秒激光打孔可以得到无烧蚀的理想导通孔。

1 导通孔的变迁与地位

PCB导体是由孔、线和盘等组成的，它们是相辅相成而完成信号传输任务的。而导通孔是随着PCB的发展，演变为通孔→复合孔→微孔化→ 全孔化。

1.1 通孔

通孔是指PCB双面都能看见的孔，最早目的是用于插接元器件，接着发展为镀通（金属化）孔，既用于插接元器件，又用于层间连通信号。随着表面安装技术（SMT）发展，通孔走向小、微化，通孔仅用于层间连通信号。

1.2 复合（通埋盲）孔

复合孔是指在多层板中具有通孔、埋孔和盲孔或其中两者同时存在的情况（见图1所示），复合孔也可称为埋盲孔化。由于孔仅为层间连接信号用，因此采用这种结构既可缩短信号传输路程，改善信号传输特性，同时又扩大布线（或布孔）面积、提高密度或者节省板材（或层数），同样也有利于改善信号性能和小型化发展。

图1 复合孔示意图

1.3 走向微孔化

微孔化是指导通孔的直径≤100 μm的情况。由于层间连接的孔仅用于信号传输，不再承担插接元器件引脚的任务。因此，孔不仅可以埋盲化，还可以尽量地做小，目前已有报道，导通孔的直径小到40 μm，还可以“实孔”（填孔镀或塞孔）化，不仅可以明显提高PCB的密度和小型化，而且进一步改善电气性能！由于微孔化的孔径越来越小，采用机械式钻孔越来越困难，因此采用激光钻孔来制造微孔是必然的发展方向。各种微孔化结构见图2所示。

图2 各种各样微孔化的结构

1.4 走向全孔化

目前由于层间连孔的“路径”比线连接长度小得多，因此PCB板内的导线既越来越短也越来越少、甚至全部为导通孔（无导线）化，如采用叠孔技术和采用直接（不经过钻孔和镀孔等）实现层间互连或一次性形成多层板的技术，如埋嵌凸块互连技术（B2it）、PALAP（Patterned Prepreg Lap up Precess）等技术[1]。

2 导通孔的影响越来越大

2.1 导通孔走上主导地位

传统的PCB内的导线路径长度远大于导通孔的路径长度，同时孔的直径也远大于导线的宽度，因此导通孔对信息传输性能的影响是不大的，导通孔只要确保“导通”就可以了。由于5G通信发展带来高频（高速）化、多功能化，使 PCB必须走上高密度化的要求。其结果是导线越来越短、越细，而导通孔直径越来越小、越多，最后走向全孔化。这样的结果便会使传统的导线质量影响信号传输性能的主导地位变成以导通孔质量影响信号传输性能的为主导地位,或者说当导通孔的路径值≥导线路径值时候，导通孔对传输信号完整性的影响便会成为主导地位。在这种情况下，必须重视和关注导通孔质量状态对信号传输性能的影响会越来越大，其重要性和地位便会日益突出起来！

2.2 导通孔影响信号传输性能

导通孔影响信号传输性能主要来自两大方面：一是导通孔尺寸的变化；二是导通孔孔壁的质量。

2.2.1 导通孔尺寸变化带来的影响

这里所说的导通孔尺寸变化是指一个孔由激光形成的上大下小的倒锥形孔。由于特性阻抗值是与导通孔的直径尺寸成正比的，孔径越大其特性阻抗值越高，而特性阻抗值越大，其损耗就越大，信号传输的完整性就越差[2]。这就是说，机械钻孔的整个孔的特性阻抗值是几乎不变的，而激光形成的导通孔是倒锥形的，这样的孔形成的特性阻抗值是由下小向上变大的（可用时域反射计TDR进行检测得知）[3]，因此激光形成的导通孔其特性阻抗值是变化的！这就是说，在倒锥形的孔中各处的特性阻抗值是不同而变化着的、孔中的各处损耗是不同而变化着的，从而造成传输信号波动而影响信号传输性能，这种波动将随着高频（高速）化的提高而严重化！

2.2.2 导通孔孔壁质量带来的影响

由于高频（高速）传输信号的趋肤效应，信号传输在导体表面上进行。在孔中的趋肤效应主要是发生在镀铜后孔壁的外径上，而不是在镀铜后的内径孔壁上。有些文章报告镀铜后的孔壁粗糙度对高速信号传输没有影响或影响很小的结论，因此导通孔外径导体表面质量将会严重影响着高频（高速）传输信号性能[3]。而激光烧蚀形成的微导通孔是倒锥形的，这是上面烧蚀次数多而变大，从上面到下面的孔壁受到烧蚀次数是不同的，因此孔壁自上到下的质量（粗糙度、熔融态等）是不同的，采用化学蚀刻和等离子体处理等所得到的孔壁质量也不一样。由于趋肤效应当孔壁质量差时会引起信号传输损失[4]。加上孔是倒锥形的，也会影响高频（高速）信号传输性能的。

3 激光导通孔的出路在于飞秒激光打孔

3.1 “倒锥形”激光孔的成因

传统激光钻（打）孔是微秒级的,所形成的孔，不仅都是上大下小成倒锥形的，而且从上到下的孔壁表面上烧蚀（粗糙度、烧蚀熔融态等）程度都是不同的，这种情况的根本原因是激光光速脉冲打击时间长短(或次数不同)而引起传热烧蚀不同所形成的，而入口处烧蚀次数最多、底部最少而形成了倒锥形。

因此，要想获得理想的孔形，从本质上说就是改变激光光速脉冲打击时间，消除传热现象来解决。采用不同激光脉冲光束类型、结构、脉冲打击时间、不同的介质材料和结构得到的倒锥形孔大小、现状和孔壁状态等是不一样的。如采用皮秒激光脉冲钻孔得到的孔状比起微秒激光脉冲钻孔得到的孔状要理想得多。同样，因为BT树脂的Tg高耐热好，比环氧树脂材质上得到的孔状也要好。

3.2 理想的激光孔是能实现的

正如前面所述的目前采用到激光脉冲光束打击时间是微秒级的，因此会传热给孔周围的介质层的，从而会引起热烧伤形成各种各样状态的倒锥型孔的！但是,从物理学角度上看热传导过程是需要一定时间才能实现，如果激光脉冲光束的烧蚀时间非常短并不大于热传导所需要时间，则可以避免发生“热传导”的现象[5][6]，便可以得到接近或实现理想的孔结构图形。

通过实验表明，当激光脉冲光束的“冲击”（烧蚀）时间越来越短时，加工的倒锥形孔也越来越接近于圆柱形，当激光脉冲光束的烧蚀时间短到飞秒级时，倒锥型孔便消失了而形成非常理想的结构孔。时间概念可知：1飞秒是1×10-15秒，飞秒级是指1飞秒至100飞秒之间；1皮秒是1×10-12秒，皮秒级是指1皮秒至100皮秒之间，其情况归纳在表1和图3中。

表1 激光钻孔的时间等级及其效果

图3 不同的激光脉冲打击时间所形成的孔状态

正是采用不产生热传导的飞秒激光脉冲光束加工的是接近或达到无缺陷的理想孔形，由于没有缺陷（如无烧蚀、无热应力、表面无或粗糙度极小、尺寸完整）并可直接孔金属化而形成的孔也是完美的，因此可获得很好的信号传输性能（信号完整性和稳定性）。在我的《古稀拾零》这本书第四篇的第九部分[6]中有详细陈述，采用飞秒激光焊接时，由于不发生热传递问题，不存在焊接处热应力忧患，可得到完美的整体性能，如用于PCB上焊接元件，就可以消除焊接点的故障率，提高可靠性和使用寿命！又如用于航空航天航海可以大大提高装备的性能。还可以用于物料切割，可以获得非常优美的截面的表面结构！

总之，飞秒激光加工在各行各业中有着广泛的应用前景！