信号传输高频化和高速数字化对PCB的挑战(1)——对导线表面微粗糙度的要求

维普资讯 http://www.cqvip.com 的挑战（１）—一对导线表面微粗糙度的要求　林金堵　．　ＣＰＣＡ顾问　本刊主编　摘要　文章概述了信号传输的高频化和高速数字化的发礁，趋肤效应越来越严重地影响着电气性能　因此ＰＣＢ导　体的粗糙度必须越来越小，常规的表面氧化技术是越来越不能采用了，必须采用物理化学方法来提高界面的结合力．　关键词　信号传输　表面粗糙度；趋（集）肤效应：界面结合力；粉红圈；离子￣／ＣＡＦ　中图分类号：ＴＮ４１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９－００９６（２００８）１０—００１５—０４　Ｔｈｅ　Ｃｈａｌｌｅｎｇｅ　ｏｆ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｉｎ　Ｈｉｇｈ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ａｎｄ　Ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ　Ｄｉｇｉｔｉｚａｔｉｏｎ（１）一・Ｔｈｅ　Ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｍｉｃｒｏ・ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ　ＵＮ　Ｊｉｎ．ｄｕ　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｓｉｇｎａｌ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｏｆ　ｈｉｇｈ￣ｅｑｕｅｎｃｅ　ａｎｄ￣ｈ－ｓｅｅｄ　ｄｉｇｉｔｉｚａｔｉｏｎ．　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｓ　ａｆｆｅｃｔｅｄ　ｂｙ　ｔｒｅｎｄ－ｓｋｉｎ　ｅｆｆｅｃｔ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，Ｉｔｉｓ　ｒｅｑｕｉｒｅｄｔＯ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｍｉｃｒｏ－ｒｏｕｇｈ－　ｎｅｓｓ　ｏｆｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ・Ｉｔｉｓ　ｎｏｔｕｓｅｄ　ｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆｃｈｅｍｉｃａｌ　ｏｘｉｄａｔｉｏｍＴｈｅ￣ｇｈ－ｂｏｕｎｄａｒｙａｄｈｅｒｅｎ　ｃｅｍｕｓｔ　，ｂｅａｐｐｆｉｅｄｗｉｔｈｏｔｈｅｒｐｈｙｓｉｃａｌ－ｃｈｅｍｉｓ　ｔｒｙ．　１ｌ　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｓｉｇｎａｌ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ：ｓｕｒｆａｃｅ　ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ；ｔｒｅｎｄ－ｓｋｉｎ　ｅｆｆｅｃｔ；　ｂｏｕｎｄａｒｙ　ａｄｈｅｒｅｎｃｅ；ｐｉｎｋ　ｒｉｎｇ；ｉｏｎ　ｍｉｇｒａｔｉｏｎ／ＣＡＦ’　当今的电子产品除了继续向高密度化、多功能　赫兹，　甚至上千吉赫兹的传输速度。如目前和今后　的移动电话（手机等）的额定频率为３ＧＨｚ或１４ＧＨｚｄ　２００６年ｌ２月ｉ９日公布了中国和美国两国首脑之　间的海底电缆热线电话的传输频率为１　０００ＧＨｚ。目　化和高可靠性的快速发展外，最突出的一个问题是　信号传输高频化和高速数字化。近十多年来，电子　产品中的信号处理和传输的速度，已经由几　兆　（ＭＨｚ）、几十兆赫兹、到几百兆赫兹，现在就　达到几个吉赫兹（ＧＨｚ）、几十吉赫兹、几百吉　前　发达届『家ｊ的　军事电子通信频率大多　数为　￣ｍ￣ｔｏｏＧｍ之间　甚至上千吉赫兹（１００ＯＧＩＩｚ），　Ｐｒｉｎｔｅｄ　ａｆＩ：诚　ｌｎｆＯｒｎ１ａｔ　印篇鞋｝电路信息　７　……　维普资讯 http://www.cqvip.com ：…………Ｓｕｍｍａｒｉｚａｔｉｏｎ＆Ｃｏｍｍｅｎｔ…　：　士　．，　而且还在继续快速地提高着。这些信号传输高频化　和高速数字化的发展，实际上是对ＰＣＢ生产面临的　迫切要求和严厉的挑战１　为２．１“ｍ左右，当然其信号传输更是在粗糙度的厚　度范围内进行；当信号传输频率提高到Ｉ＇０Ｇ时，其　信号在导线表面的传输厚度为０．７ｕｍ左右，当然其　１／｜、　１　信号传输的趋肤效应　匀　近十多年来，　电子产品的信号处理和传输的频　信号传输更是在粗糙度的厚度范围内进行；依此类　推。当传输信号仅在“粗糙度”的尺寸层内进行　传输时，那么必然产生严重的信号“驻波”和“反　评　率正在迅速提升，如下所示：　论　：　：　：　５０ｋＨｚ一５００ｋＨ　一　ＭＨｚ一１０ＭＨｚ一１００ＭＨｚ一　１ＧＨｚ一１ＯＧＨｚ一４０ＧＨｚ一６０ＧＨｚ一１００ＧＨｚ￣１０００ＧＨｚ　射”等，使信号造成损失，甚至形成严重或完全　失真。这也说明，如果继续采用传统的粗糙度的导　体表面，其结果是：随着信号传输频率越来越高，　其信号在导体表面传输厚度也越来越薄，传输信号　的“驻波”和“反射”等将越来越严重化，信　高频或高速数字化信号在ＰＣＢ导线中的传输主　要带来如下问题：　（１）高频化的趋（集）肤效应。越来越严　：　重，传输信号损失（失真）越来越大。　号传输的“失真”也将越来越严重。　为了减小这种“失真”，需要更严格控制导　：　：　趋肤效应是指信号的频率传输越快　信号传输　就越来越接近导体的表面。常规信号传输的表层厚　线：①表面平整度（光滑性）；②特性阻抗值等。　（２．）高频化使电磁感应越来越严重，传输信　号损失（干扰）越来越大。因为，电磁波辐射的　；　：　度　（Ｓｋｉｎ　Ｄｅｐｔｈ）为１／ｅ（３６．９７％）。　＝（ａｃ０／￣）　：　：　式中：　一一厚度；　一一导电率；　’　频率增加了，因而电磁干扰也加大了。大家知道，　任何提供电路中总是存在着ＲＬＣ的，因此总电压　和电流Ｊ便存在着如下的关系：　，＝Ｕ／［Ｒ　＋　一　）　】　：　：　ＣＯ一一角频率（＝２　７ｃ　）；　“一一导磁率。　：　随着信号传输频率的提高，其在导体内传输厚　式中：尺一一电阻；　Ｘ　一一感抗，　Ｘ　＝２　厂Ｌ（ｆ为频率）；　：　度严重性如表１所示。　从表ｌ中可看出，随着信号传输高频化或高速　：　：　：　：　数字化的发展与进步，信号在导体中的信号传输厚　度越来越薄，当信号传输高频化或高速数字化的发　展达到一定数值（１　０Ｍ）以后，传统的导体表面　粗糙度便遇到了挑战，因此必须根据信号传输频率　ｘｃ一一容抗，Ｘｃ＝ｌ／２ｒｔｆＣ。　式中的ｘ．一ｘ　用Ｘ（电抗）来表示。电抗ｘ的大小　就意味着“干扰”的大小。当信号传输频率厂上升　‘时，感抗ｘ　增加，容抗　减小（尽管寄生电容　Ｃ是增加的，但是容抗Ｘ　是与厂成反比的），电抗　Ｘ是增加的，所以干扰是增加的。　：　：　和高速数字化程度来制造合适的粗糙度铜表面，才　能满足要求。　；　：　：　（２）趋（集）肤效应带来的后果。　信号高频化使信号传输越来越集中于导线“表　面层”内，信号传输频率越快，导线“表面层”　为了减少这种干扰，在ＰＣＢ设计上往往要采取　如下措施：①降低电源电压值来降低电流值；②采　用“差分线”结构；③采用短线或无线结构；④　增加无源元件的数量。　：　：　传输信号的厚度就越薄。从表１中可以看出：当信　号传输频率在５００兆时，其信号在导线表面的传输　２导线表面粗糙度的挑战　ＰＣＢ中的导线粗糙度（Ｒａ）是由ＣＣＬ基材铜　底部和形成导线的两侧面与表面的结构来决定的。　：　．厚度为３　ｍ左右，如果导线表面（导线底部相当于　ＣＣＬ铜箔底部）粗糙度为３　ｍ一５　ｍ时，也就是说，　信号传输仪在粗糙度的厚度范围内进行；当信号传　输频率提高到ｌＧ时，其信号在导线表面的传输厚度　：　２．１　ＣＣＬ基材的挑战　这里所说的ＣＣＬ基材的挑战是指ＣＣＬ中铜箔底部　１６　。　表１　信号传输频率与趋肤效应（厚度）　；　：　●＿．塑奎丛　厚度　ｍ　＿＿—＿－＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿－－－＿＿Ｑ垦．　２１４０．０　＿－＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿；　！　一　２１０．０　６０．０　－●＿－＿＿＿＿＿＿＿—Ｉ－＿＿＿＿：．－．　ＱＱ　一．．．　鱼－＿＿一三Ｇ＿—－＿＿　要　３．０　＿＿＿＿－＿＿＿＿＿＿－＿－＿＿＿６８０．０　●－＿＿＿＿＿＿＿－－●－２０．０　●＿＿＿＿＿＿－－●＿６．６　＿＿＿＿＿－２．１　＿＿＿＿－＿＿＿－＿０．９　－－＿＿－－＿＿＿＿＿－０．７　●＿＿＿＿＿　－＿＿＿＿—＿＿＿．　……．Ｐｒｉｎｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ印制电路信息２００８　Ｎｏ．１０　维普资讯 http://www.cqvip.com …．…………．．…一……………．……………Ｓｕｍｍａｒｉｚａｔｉｏｎ＆Ｃｏｍｍｅｎｔ～”・・・…・．ｃ．…・：　表面与介质层树脂接触的粗糙度问题。大家知道；　还得经得起高温焊接过程的考验，并保持高的热稳　＿　＿任何不同物质之间的接合，其最薄弱部位（环节）　是在两种物质的界面处；从“机械”结合的角度　看，增加界面处的（单位面积）表面积（或粗糙　度）是提高不同物质界面之间的结合力；从物理结　合的角度上看，采用，提高界面的“范得华力”，　也可提高不同物质界面之间的结合力；从化学结合的　角度看，在不同物质界面处进行“络合”作用，将　可提高更大的不同物质界面之间的结合力０　定性。　２．２　导线制造的挑战——导线表面的粗糙（精　细）度、缺陷的控制　正是由于信号传输高频化，高速数字化的迅速发　展与进步，使集（趋）肤效应越来越严重化，要　求导线等的表面粗糙度走向平整光滑化和缺陷走向精　细完整化。其中导线等的粗糙度减少的趋势如表２　所示。　在铜箔底部表面形成一定的粗糙度来提高与树　脂之间的界面的结合力，这是最早采用和最普遍的　由于信号传输高频化，高速数字化带来集（趋）　肤效应，因此要求导体表面的粗糙度越来越小，从　而带来表面粗糙度的加工方法的变革与进步。　方法。但是，这种方法遇到了来自信号传输高频化，　高速数字化的挑战（表１）一一继续采用大粗糙度　的方法来提高铜箔与树脂之间的结合力是越来越行不　通的，必须随着信号传输高频化／高速数字化的发　展而降低铜箔表面的粗糙度和其它的方法来保证界面　的结合力。　‘　目前采用微粗糙度、化学“络合”或者两者　３表面粗糙度的加工方法　随着信号传输高频化／高速数字化带来集（趋）　肤效应的严重化，要求导体表面粗糙度向着越来越　小的方向发展，使表面粗糙度的加工方法迅速带来　发展与进步。　（１）机械抛刷。　结合起来的方法来满足／提高界面的结合力。　（１）微粗糙度技术。这是采用化学、电化学　或两者结合起来形成０．３／．ｔｎ左右的表面粗糙度，据　ｉ说０．３１ｘｍ的表面粗糙度具有最大的界面结合力。日　本已经普遍采取这种方法，我国广东深圳的“板明　科技有限公司”也开发出这种微粗化（其公司称为　“超粗化”溶液）处理剂，并已大量供应华东地　区的台商ＰＣＢ工厂，并获得好的效果。　（２）采用物理化学的“络合”技术。这是　指采用有机化合物与金属表面上的金属发生“吸　这是指含金刚砂（碳化硅等）的尼龙刷辊对运　动中的导体表面的机械压力抛刷，以除去表面氧化　层与污染物等，但是在表面会形成有规则的‘‘划　痕”，从而形成“很大”的凹陷，如可形成２０　ｍ　以上的缺陷。这些对于１０Ｍ频率的信号传输场合是　不足以构成任何威胁的。所以，在．２Ｏ世纪的电子　产品的信号传输频率为１０Ｍ以下，因此２Ｏ世纪的　ＰＣＢ的表面处理大多数是采用机械抛刷方法　（２）火山灰磨刷Ａｌ，Ｏ　３磨刷。　这是指在尼龙刷辊（或毛刷等）刷磨过程中加　附”与“络合”作用。如耐热的咪唑类与铜的“吸　附”与“络合”作用，其机理可认为是与裸铜上　浸涂有机可焊性保护剂（ＯＳＰ）一样，由于新鲜　铜表面与ＯＳＰ中的咪唑发生“吸附”与“络合”　；；；入火山（或Ａ１　Ｏ，）粉末而进行湿法加工形成的表　面，其表面粗糙度是形成不规则的，其粗糙度处于　１ｎｍ一３Ｂｍ之间。它是目前广泛应用的方法，这是因　作用，因而，不仅形成牢固的界面的结合层，而　且形成既耐热又可焊性作用。但是，用于层压的内　综述　与．评论；；；；。：　：；　．；；：．：：：　；；．．；；．；；；　；　；以下。　为目前大多数的电子产品的信号传输频率都处于１Ｇ　（３）化学／电化学处理。　层片的这种“吸附”与“络合”作用，在层压　过程中，不仅要保持好的结合力，而且不能发生热　分解，并能与树脂发生化学（交链）作用。最后，　采用化学“偶联剂”方法在前面第２．１节的　（２）中已简述过，在此不重复。在这里是指采用　化学品微蚀刻，或经过化学品微蚀刻后，再通过电　表２　信号高频化带来表面粗糙度及其处理方法的变化　，＿ｌ－。＿　＿＿。＿＿　。　’　，　＿＿＿　．＿　０一　～　一　…，嘶　．　ｊ　、　、　啦｝　¨ｌ　。‘　一　、　．　ｆ　。　＿－　一．：．　咝．　．ｊ　一．　　Ｑ　．粗糙度　：＿－－。　旦－．－＿＿：立＿一。．＿羔Ｑ　≤３岬　≤ｌｐｍ　一．　－‘＿＿　鲤　＿＿　≤３Ｏｈｍ　不限制　不限制　≤７Ｂｍ　≤０．１岬　鎏：关于内层的表面氧化粗搀度的处理，见下面另述。　●　●　●　●　Ｐｒｉｎｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ印制电路信息２００８－Ｎｏ　１０．．．…．．：　维普资讯 http://www.cqvip.com ：…………Ｓｕｍｍａｒｉｚａｔｉｏｎ＆ＣＯｍｍｅｎｔ…　；　解蚀刻相结合（更均匀的颗粒结构）的方法，如　过硫酸盐、各种化学蚀刻剂等。采用这种方法和不　同控制技术可获得０．１　ｍ～１．０　ｍ之间的微细粗糙度的　表面。　　・要条件。　鉴于上述问题，便大力开发出一种新型的有机　金属薄膜，其原理如下：　２Ｃｕ＋Ｈ２ＳＯ４＋Ｈ２０２＋ｎＲｌ＋ｎＲ２一ＣｕＳＯ４　２Ｈ２Ｏ＋　与　至于采用纳米技术来得到纳米级粗糙度的表　评　面，目前正在开发和试用中，其应用还需时间，但　是其应用前景是光明的。Ｃｕ（Ｒｌ＋Ｒ２）　在这种新型铜表面处理溶液中：由于Ｈ　ＳＯ　可　以清除氧化铜和“平衡”所形成的ＣＵ　２＋离子；而　Ｈ：０　还具有微蚀刻作用，可能会形成一定的粗糙度　的表面（应进行控制）；更重要的是在铜表面上形　：，　１２　（４）内层氧化处理。　在多层板的制造中，为了自己内层导体（导　线、连接盘等）与树脂的结合力，其内层的导体　表面，除了清洁外；还要经过粗化处理，达到一　定的粗糙度的要求。这种处理大多采用黑氧化和红　（棕）氧化处理。　①黑氧化处理。这是指采用亚氯酸盐处理而得　到的铜表面氧化层，由于是以氧化铜（ＣＵＯ）为　主体的氧化层，呈黑色，所以又称黑氧化处理。其　成并沉积是有机金属化合物Ｃｕ（Ｒ，＋Ｒ　２），它像有　机可焊性保护剂（ＯＳＰ）那样。这些有机物与铜　表面形成络合物是以化学键结合着，其有机物部分　将朝向外面，有利于与树脂结合并耐高温，因此，　在层压时，与半固化片（ＰＰ）可发生热交联作用，　因而可提高界面的结合强度。更重要地是可得到既　有高结合强度的界面，又可得到很微细粗糙度或者　平整光滑表面的铜导体。　形成结构为树枝状，表面粗糙度为３　ｍ　７　ｍ左右，　因而与树脂之间有很好的结合力。但是较难操作与　控制，若氧化过度，则会引起树枝状断碎，形成　黑色粉末，反而造成比没有处理的的表面更差的结　合力。　此，目前大多数的ＰＣＢ生产商都采用红　（５）导体（导线与连接盘）的物理缺陷。由　于ＰＣＢ所用的ＣＣＬ材料类型与等级、加工过程（如　表面处理、图形转移、导体蚀刻）等都有可能引　起导体上针孔、缺口、凹陷等诸多问题。这些问　（棕）氧化技术或其它方法。　题，在信号传输高频化和高速数字化中，同样会像　粗糙度一样产生信号“驻波”、“反射”等作用　而形成信号“失真”问题。很显然，．在信号传输　高频化和高速数字化的ＰＣＢ的导体制造过程中，避　免导体缺陷，保持其完整性也是非常重要的。　②红（棕）氧化材料。这也是采用化学氧化　方法，但得到的是含有氧化亚铜（Ｃｕ　２Ｏ）和氧化　铜（ＣＵＯ）的复合物，呈棕色或棕褐色／棕红色　等。其形成的结构为颗粒状，表面粗糙度大多数为　３　ｍ　５　ｍ左右，均匀而稳定，工艺易于操作与控　制，有很好的结合力。　（６）表面涂（镀）覆厚度的采用与控制。在　化学镀镍，浸金镀层中，由于镍镀层的厚度较厚，　③新表面处理一一形成化学物。由于高密度化　的发展，使ＰＣＢ中的孔与孔之间、孔与线之间等　为克服“气孔率”问题，其沉积厚度为３￣ｔｍ￣５　ｍ　（过去为５Ｉ．ｔｍ～７ｋｔｍ）。但是，由于镍的电阻率是铜　的间距越来越小，采用导体表面氧化处理会带来　“粉红圈：’和易于形成ＣＡＦ（或离子迁移）问题，　的４倍，因此在镀镍层处产生一个更大的特性阻抗　值，从而改变了信号传输状态（发生信号反射而形　成部分“失真”）。圆　参考资料　【１】林金堵，龚永林．现代印制电路基础，中国印制电路行业　威胁着电子产品的使用可靠性。　在传统的ＰＣ　Ｂ产品中，“粉红圈”经过大量　的试验表明是不会形成线路故障的，因而它是允许　存在的。但是在高密度的ＰＣＢ中，特别是ＨＤＩ／ＢＵＭ　板、ＩＣ封装基板等产品中，往往是被要求不得存　在“粉红圈”结构的。阗为高密度的ＰＣＢ中的导　体之间的间距（特别是孑Ｌ一孔、孔．线之间）越来　ｌ８　协会，印制电路信息杂志社出版，２００４，１２（第四版）：第十四　童　【２】林金堵，梁志立，陈培良．现代印制电路先进技术，第四　章，中国印制电路行业协会，印制电路信息杂志社出版，　２００３，１２：１３６￣１７３　越小，甚至已经小到ｌ　０ｌａｍ左右，所以“粉红圈”　结构不允许存在，由于在“粉红圈”结构在湿法　［３１Ｂ．Ｗｅｓｓｌｉｎｇ等．具有刨新性的有机表面涂覆Ｎａｎｏｆｉｎｉｓｈ　【Ｊ］．印制电路信息，２００７，１２：４８￣５４　【４】蔡积庆．纳米技术在表面涂（镀）覆中的应用［Ｊ］．印　制电路信息，２００７，８：４４￣５０　处理过程中，容易被浸蚀并储存腐蚀液体／或杂　质，这无疑是形成ＣＡＦ（或离子迁移）的一个重　……。．Ｐｒｉｎｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ印制电路信息２００８　Ｎｏ．１０