5G通信PCB高精度阻抗控制研究

杨 帆 唐宏华 樊廷慧 王 斌

（1.惠州市金百泽电路科技有限公司，广东 惠州 516083；2.深圳市金百泽电子科技股份有限公司，广东 深圳 518049）

0 引言

在印制电路板（printed circuit board，PCB）行业中，5G 类高速产品的信号传输速度越来越快，频率越来越高，对PCB 的阻抗控制精度要求也越来越高。控制不严格的阻抗会引发较大的信号反射和信号失真，因此，保证信号传输线特性阻抗的匹配和一致性是高速PCB 设计和加工的关键。本文主要从阻抗设计、加工流程优化、蚀刻工艺改进，以及阻抗测试方法更新等几个方面进行改善，从而实现内层阻抗±5%的高精度控制要求。

1 高精度阻抗面临的工艺问题

1.1 影响阻抗的主要因素

在具有电阻、电感和电容的电路里，对电流所起的阻碍作用为阻抗。PCB 产品中影响特性阻抗的因素较多，特性阻抗公式表示为［3］

线宽、面铜厚度2 个重要因素对阻抗的灵敏度分析分别如图1和图2所示。

图1 差分特性阻抗随面铜厚度变化趋势

图2 差分特性阻抗随线宽变化趋势

由图1 和图2 可知，铜厚每增加1 μm，阻抗值降低0.35 Ω，线宽每增加25.4 μm，阻抗值降低1.0 Ω。在影响阻抗的诸多因素中，介电常数由材料特性决定，通常比较恒定，容易受控；介质厚度在叠层时可充分考虑，再匹配合适的压合参数，也基本受控。而铜厚及线宽受加工制程的影响较大，特别是高密度的高速信号线，线宽稍有变化即可带来5%～10%的阻抗波动。因此，要实现±5%的高精度阻抗控制，铜厚及线宽精度是工艺控制的关键。

1.2 盲埋孔内层高精度阻抗控制面临的问题

针对内层带有盲埋孔设计，并有高精度阻抗要求的产品，内层盲孔电镀时受镀层均匀性及后续蚀刻均匀性影响，线宽波动较大，直接影响阻抗线宽精度，从而导致阻抗一致性变差。按常规流程加工，内层蚀刻后没有阻抗检测流程，使内层阻抗的管控更加困难，产品良率低下。因此，需要在现有基础上开发新的阻抗管控方法，来提升盲埋孔内层的阻抗精度及一次良率。

2 高精度阻抗控制方法研究

2.1 压合前内层阻抗理论模型

2.1.1 压合前内层阻抗

根据内层压合阻抗模拟值倒推压合前内层阻抗，如图3所示。

图3 压合前阻抗模拟

2.1.2 理论值偏差校准

内层阻抗理论值偏差校准如图4所示。通过试验对比压合前后阻抗理论和实际的偏差值，对内层阻抗压合前理论值进行校正，得出更加精确的阻抗控制值（按内层模拟值的-2.0%控制），可为后续内层蚀刻及高精度阻抗控制提供基础条件。

2.2 内层阻抗条设计优化

在板的中间及四周设计阻抗条，如图5 所示，使阻抗测试数据更具有代表性，体现阻抗的一致性。

电气点检员的主要工作内容就是对在线生成设备（系统）进行点检、定期的检查，对照标准发现设备的异常现象和隐患，分析、判断其劣化程度，提出检修方案，并对方案的实施进行全过程监控的人员。电气专业点检员和其他点检员一样，必须具有较强的管理意识，强烈的工作责任心，以及较强的管理能力。还必须具有广泛的知识面扎实的专业知识，熟练的检修技术和处理现场电气设备故障的能力。

图5 阻抗条设计优化

2.3 内层盲孔电镀均匀性控制

使用垂直连续电镀（vertical continuous plating，VCP）线，将1 次电镀法改为2 次+正反交替电镀，提升面铜均匀性，为后续高精度蚀刻提供基础，如图6所示。

图6 高精度阻抗产品电镀方式

测试结果表明，单板过程能力指数（complex process capability index，CPK）值达到1.93，面铜极差可控制在7 μm 范围，对100 Ω 阻抗线约有 2.5 Ω影响，如图7所示。

图7 面铜厚度控制过程能力分析

2.4 内层阻抗高精度蚀刻方法及管控方法

2.4.1 高精度阻抗线二次追加补偿

针对不同电镀铜厚及线宽线距，找出侧蚀变化规律，为阻抗线蚀刻提供补偿依据，同时考虑二次返蚀的需要，在原有补偿值基础上追加补偿12.7～20.1 μm，为蚀刻提供缓冲空间，使部分产品在阻抗值偏下限的情况下，可再进行二次精准蚀刻。见表1。

表1 高精度阻抗-线宽补偿

2.4.2 内层阻抗测试流程优化

在内层蚀刻后退膜前增加阻抗测试+二次精蚀流程，如图8所示。

图8 工艺流程

2.4.3 内层阻抗测试方法

高精度阻抗产品，第1 次蚀刻完成后不退膜，将阻抗线端测试点的干膜修刮掉再进行阻抗测试，阻抗值符合管控要求的，直接退膜；如阻抗值偏小，可贴红胶带保护后，二次精蚀处理。

2.4.4 二次精准蚀刻方法

通过退膜前后阻抗测试数据对比，得出干膜对不同线宽线距阻抗值影响的百分比。分别找出对阻抗影响1%、2%、3%、4%及5%对应的蚀刻参数。根据实际测出的阻抗值与要求阻抗值的差异，返蚀时选择对应的二次蚀刻参数，从而实现高精准蚀刻，满足±5% 高精度阻抗要求。见表2。

表2 二次精准蚀刻参数

干膜对阻抗的影响分析如图9 所示。由图9可见，干膜对阻抗线的影响均值为2.2%，CPK值为3.89，稳定性较好。线宽精度控制过程能力分析如图10 所示。由图10 可见，线宽精度单板CPK 值达到1.27，线宽极差可以控制在10 μm 范围内，对100 Ω 阻抗线大致有4.0 Ω 影响。

图9 干膜对阻抗的影响分析

图10 线宽精度控制过程能力分析

3 结果与讨论

盲埋孔内层高精度阻抗加工方案见表3，内层阻抗测试数据见表4，成品阻抗检测结果见表5。经工艺验证，采用优化后的加工方案及阻抗控制方法，阻抗精度及产品良率得到明显提升，可以满足阻抗公差±5%的高精度控制要求，验证合格。

表3 高精度阻抗加工方案

表4 阻抗测试数据

表5 成品阻抗检测结果

4 结语

本文简单介绍了一种高精度阻抗产品精确控制内层阻抗的方法，采用压合前模拟内层芯板阻抗值+蚀刻不退膜测试阻抗+二次精蚀流程，可对阻抗公差进行严格管控，实现阻抗公差±5%高精度加工目标。