低粗糙度棕化液表面处理对PCB的信号完整性影响研究

林 健 王小娟 王 锋 唐 耀 石卫松

（珠海方正印刷电路板发展有限公司，广东 珠海 519175）

伴随5G时代的飞速发展，通信设备对信号传输的需求日趋增加，高频高速发展伴随的是对印制电路板（PCB）信号传输质量的高要求，PCB的信号完整性（SI）成为研究重点。

PCB由设计到制造的过程中，其信号的传输质量，即信号完整性会受到材料、走线、制程等影响，产生例如阻抗不连续、串扰、反射等问题，造成电子系统工作异常或失效[1]。信号在高频段传输时，线路的电流大部分集中在导体表面，即趋肤效应[1]。

由于趋肤效应，已知当频率达到1 GHz时，信号在导线表面的传输深度为2.1 μm，此时若线路表面粗糙度是3～5 μm，信号则在粗糙度的厚度范围内传输[2]。故当信号到10 GHz以上高频段时，信号传输深度仅0.7 μm，信号仍是在粗糙度厚度范围内传输。当信号仅在粗糙的厚度范围内传输时，其驻波、反射增强，信号传输路径加长，损耗增加，信号将损失乃至失真。因此，线路表面的粗糙度成为影响高频信号完整性的一个重要因素[1]。

在PCB制程中有许多因素直接影响线路表面粗糙度，例如前处理、棕化等。在棕化时，其主要目的是增加铜面粗糙度，增强内层铜面与基材强与半固化树脂的黏结力。棕化不仅可以增强与半固化树脂结合力，避免后续电路板分层问题，还可以防止铜被进一步腐蚀，保护线路，保障多层PCB的性能。但铜面粗糙度的增加也伴随着信号传输损耗的增加。

普通棕化药水对铜面的咬蚀量较大，难以达到PCB的高信号传输要求，为改善棕化时铜面粗糙度增加对性能损耗的影响，棕化药水供应商研制了专用于改善PCB损耗的低粗糙度棕化药水，以降低铜面棕化后的粗糙度。低粗糙度棕化药水期望在保障棕化及层压可靠性要求的同时，有效降低铜面粗糙度，增加信号传输效率。本文主要通过对比普通棕化药水，比较不同低粗糙度棕化药水对PCB的信号完整性影响。

2 实验部分

2.1 实验材料与设备

2.1.1 测试材料

选用同为TU933P+的高速材料芯板[铜箔为18 μm（0.5 oz）的HVLP超低轮廓铜箔]与半固化片（2116#树脂含量56%，1078#树脂含量64%）。

2.1.2 测试药水

棕化药水共对比测试了7款。其中，药水A0为一款A供应商提供的普通棕化药水，药水A1与A2为A供应商提供的低粗糙度一代及二代棕化药水，药水B1及B2为B供应商提供的低粗糙度一代及二代棕化药水。药水C与D为其他供应商提供的低粗糙度棕化药水。

2.1.3 测试设备

3D激光测量显微镜（奥林巴斯，S5000），金相显微镜（奥林巴斯，BX53MTRF-S），扫描电子显微镜（日立，S3400），矢量网络分析仪（安捷伦，E5071C），剥离强度测试仪（正业，DS2-200N），自动取样机（爱思达），锡炉（群翔，KC3047），8温区无铅全自动回流焊（科盛，ZKS-608）。

2.2 测试板设计与制作流程

2.2.1 测试板设计

信号测试板为6层板，叠构设计中，L2/L5为信号层，L3/L4为参考层。信号传输线为差分线，一面6组，共12组，差分成品阻抗设计为95±9.5 Ω，线宽为0.15 mm，线距为0.20 mm。具体叠构见图1所示。

图1 六层板叠构图

2.2.2 测试板制作流程

下料-内层图形转移-内层AOI（自动光学检测）-棕化（不同粗糙度药水处理棕化）-烘板-压合-机械钻孔-清洗-烘板-电镀-外层图形转移-酸性蚀刻-AOI-防焊-阻抗测试-化镍金-文字-成型-终检-成品。

2.3 测试项目

2.3.1 铜面微观形貌

通过SEM（扫描电子显微镜）观察，分析对比经过不同棕化药水处理后的铜面的微观形貌。

2.3.2 铜面粗糙度

使用3D激光测量显微镜测试不同棕化药水处理后铜面的粗糙度（线粗糙度、面粗糙度、表面积比）。

2.3.3 剥离强度

铜箔经不同棕化药水分别处理后与半固化片进行压合，然后蚀刻出3 mm的线路，用剥离强度测试仪测试线路原始态以及经过5次无铅回流焊后的剥离强度。

2.3.4 插入损耗

使用网络分析仪测试成品板传输线的插入损耗，绘制在测试频率为0～20 GHz条件下插入损耗与频率的关系图。

3 结果与讨论

3.1 不同低粗糙度药水表面处理对铜面微观形貌的影响

利用（扫描电子显微镜）分析对比经过不同棕化药水处理后铜面的微观形貌，并与棕化前进行对比，结果见图2所示。从SEM图中可以看出，经过棕化药水处理后的铜面对比未棕化处理的铜面，微观形貌均发生改变，未棕化处理的铜面基本平整，呈颗粒状晶状体。棕化处理后的铜面呈现微观下的蜂窝状多孔态。其中普通棕化药水A0的多孔结构很明显，蜂窝态更大更深。而低粗糙度棕化药水的SEM图比起A0的来看，蜂窝状较小较密，其中A1/A2/B1的多孔状结构较密集，B2/C/D的较为平整一些。即由SEM图粗略判断，微观粗糙度由大到小排序为A0＞A1/A2/B1＞B2/C/D。

图2 铜面SEM图

3.2 不同低粗糙度药水表面处理对铜面粗糙度的影响

使用3D测量激光显微镜分别分析棕化处理前后铜面的粗糙度，结果见图3所示。表征铜面粗糙度的指标有Ra、Rz、Rq和Sa、Sz、Sq、表面积比等，其中稳定性较好的测量指标为Ra、Sa、表面积比，故选用这三个数据作为主要评价指标，Rz、Sz作为参考评价指标[3]。测试结果显示，棕化后的线粗糙度、面粗糙度和表面积比相较于棕化前都有所增加。普通棕化药水A0对铜面粗糙度的增加最明显，Sr从1.0411增加到1.4397，增加了38.29%，同理，Ra增加了68.67%，Sa增加了30.30%。低粗糙度药水均增加了铜面粗糙度，增加程度次于A0。A2/B2/ B1/A1棕化后的铜面粗糙度较大，Sr介于1.2和1.3之间，棕化后比棕化前的粗糙度增加了15.89%～23.98%。C/D棕化后的铜面粗糙度较低，Sr＜1.2，棕化后比棕化前的粗糙度增加了11.51%～14.02%。这主要是受棕化药水微蚀的影响，使平整的铜面粗化。粗糙度综合排序由大到小为A0＞A1＞B1＞B2＞A2＞D＞C，与SEM表现基本一致，由此可得，采用低粗糙度棕化药水可以降低铜面粗糙度。

图3 铜面粗糙度分析结果图

3.3 不同低粗糙度药水表面处理对剥离强度的影响

使用剥离强度测试仪测试经过不同棕化药水处理后的铜面与半固化片之间的剥离强度，测试结果如图4和图5所示（注：1 lb/in＝0.175 N/mm）。图4和图5分别为5次无铅回流焊（IR*5）处理前后的剥离强度。可以看到IR*5前后剥离强度的大小顺序基本没有变化，且回流焊后的剥离强度普遍大于回流焊前的。从回流焊前后的剥离强度数据来看，B2与A0相当，＞0.3 5N/mm（2 lb/in），A1和D相当，＞0.263 N/mm，B1、C和A2相对较差，＜0.175 N/mm，其中A2处理后的剥离强度最差。低粗糙度棕化药水与树脂间的机械拉力明显弱于普通棕化药水。

图4 IR＊5前铜面与PP剥离强度测试结果图

图5 IR＊5后铜面与PP剥离强度测试结果图

剥离强度按由大到小排序为B2＞A0＞A1/D＞B1＞C＞A2。结合表面粗糙度结果来看，剥离强度除了与铜面粗化程度（物理结合）相关外，还与各药水在铜面形成的有机膜（化学结合）相关。

3.4 不同低粗糙度药水表面处理对信号传输线可靠性的影响

对经过二代药水A2及B2处理的成品板在传输线信号孔区域取切片，通过金相显微镜观察分析，结果见图6和图7所示。如图所示，B2处理的板未发现分层现象，A2处理的板发现分层，不符合IPC-A-600J标准。分层在L4-L3处，此为芯板棕化处理面与PP结合的界面，与棕化药水对铜面粗糙度处理及形成的化学键相关。

图6 未分层板（B2）切片

图7 分层板（A2）切片

3.5 不同低粗糙度药水表面处理对信号传输线插入损耗的影响

使用网络分析仪测试成品板的信号传输线在0～20 GHz频率范围内的插入损耗，分析对比不同棕化药水表面处理对L5插入损耗的影响，插入损耗与频率的关系见图8所示。普通棕化药水A0与不同型号低粗糙度棕化药水表面处理带状线的插入损耗和频率呈现线性关系，均随着信号传输频率的增大而增大，线型的抖动主要是受谐振影响。在低频率下，信号在铜面的传输深度较深，此时影响信号插入损耗的因素主要是介质，由于测试中所有棕化药水处理的材料一致，故低频时各处理方式的插入损耗基本一致。但随着信号传输频率增大，信号传输深度越小，铜面粗糙度对信号传输的影响越大，各种低粗糙度棕化药水处理的插损差异越大。

图8 低粗糙度药水插损测试结果

图9为14 GHz下的插入损耗，以及低粗糙度棕化药水相较于普通棕化药水A0的插入损耗收益。由表中数据及排序可见，A2处理后的插入损耗收益最大，为6.01%，其次是C/B2，收益5%～6%，A1/B1更次之，收益3%～4%，收益表现最差的为D，仅1.35%。对比A0，插入损耗收益按从大到小排序为A2＞C＞B2＞A1＞B1＞D＞A0。

图9 插入损耗收益统计表图

4 总结

（1）PCB内层经过棕化处理后会改变铜面表面形貌及粗糙度，进而影响线路传输信号完整性。相较于普通棕化药水，不同体系的低粗糙度棕化药水均降低了铜面粗糙度，提升了信号完整性能力。

（2）测试结果表明：SE微观粗糙度由大到小排序为A0＞A1/A2/B1＞B2/C/D；粗糙度综合排序由大到小为A0＞A1＞B1＞B2＞A2＞D＞C；剥离强度按由大到小排序为B2＞A0＞A1/D＞B1＞C＞A2；插入损耗收益按从大到小排序为A2＞C＞B2＞A1＞B1＞D＞A0。

（3）SEM观察结果与粗糙度测试结果基本吻合，粗糙度结果与插损测试结果基本保持一致。采用低粗糙度棕化药水处理后的插入损耗比普通棕化药水低5%左右。

（4）本次测试中有几款药水的表现值得关注。在测试的药水中，B2的综合表现最好，粗糙度降低的同时获得最佳的剥离强度，在具有良好SI（信号完整性）性能的同时获得了最好的可靠性能：14 GHz下插入损耗0.57518 dB/in，相比A0收益5.37%，回流焊后剥离强度2.413 lb/in，是可供高频高速PCB选择使用的良好产品。

（5）A2与C的SI（信号完整性）表现接近且优于B2。A2与C虽达到最佳的SI，同时粗糙度最低，但剥离强度最差，其中A2更是出现分层，故不排除C也具有很大的分层隐患，其实对于高频高速PCB，SI与可靠性通常相互矛盾——平整的线路带来优异SI，但粗糙的表面更有利于保证结合力[1]。但铜面与半固化片的结合力除了受表面粗糙度的物理咬合作用影响之外，还受到低粗糙度棕化药水在表面形成的有机层与树脂之间的化学作用影响。而D虽然粗糙度很低，剥离强度却良好，但插损表现最差，损耗最大，故不是良好的产品。

（6）A供应商的低粗糙度二代药水A2相比一代A1在粗糙度影响上有很大改变，大幅降低了对铜面粗糙度影响的同时也获得优异的SI，但剥离强度随之变差，出现分层。结合其他药水测试结果来看，低粗糙度棕化药水确实可以有效降低铜面粗糙度，并提升信号完整性能力。但低粗糙度会导致铜面与基材的物理结合力下降，为保证可靠性，需要化学结合力加以补充。故随着铜面粗糙度的降低，低粗糙度棕化药水在铜面形成的有机层与树脂之间的化学作用越重要。而以化学结合为主的低粗糙度棕化药水会存在材料选择性的问题，例如本实验中A2药水出现了分层问题。故物理结合、化学结合与高SI三者还是需要一个折中的探索，不能一味追求某一方面的表现，应用时还要依实际需求进行取舍，否则就会顾此失彼。

（7）插损排序是以14 GHz的测量值进行对比，但是有些药水的测试曲线略有波动，由于各药水的插损差异很小，稍有波动都会影响对比结果，故实际使用前需要复测，在曲线平滑的情况下进行对比，结果更能反映真实情况。