铜箔类型对高速PCB线宽蚀刻精度的影响研究

王星星 蒋忠明 刘海龙 张威风

（深南电路股份有限公司，广东 深圳 518000）

0 引言

高速印制电路板（printed circuit board，PCB）信号的传输速率趋向于112 Gbit/s甚至更高［1］，当信号传输速度越快时，信号的波长就越短。当波长短到可以与PCB 传输线长度相比拟时，反射信号叠加在原信号上将会改变原信号的形状［2］。如果PCB 传输线的特征阻抗与负载阻抗不相等（即不匹配），则在负载端就会产生反射［3］。能量传递不过去，效率降低，就会在PCB 传输线上形成驻波，导致PCB 传输线的有效功率容量降低，功率发射不出去，甚至会损坏发射设备。

当PCB上的高速信号线与负载阻抗不匹配时，会产生振荡、辐射干扰等现象。因此，信号的传输速率越快，对PCB 阻抗公差的控制一般会越严格。一般而言，微带线阻抗公差控制在±15%，对于重要的高速信号线，需要控制在±10%，带状线一般控制在±10%［4］。

高速PCB 上的传输线阻抗由多种因素决定，包括PCB 材料的介电常数、信号走线与参考平面之间的距离以及信号走线的宽度［5］。根据阻抗的计算公式可知，线宽是影响阻抗的重要因素之一。

当走线宽度变化0.025 mm 时，阻抗将变化5～6 Ω。在实际的PCB 制造中，如果选择铜厚18 μm 的铜箔作为信号平面控制阻抗，则允许的走线宽度公差为±0.015 mm。如果选择铜厚35 μm的铜箔作为信号平面控制阻抗，则允许的走线宽度公差为±0.030 mm。线宽过宽或过窄，会导致线路的实际阻抗与期望值不同，阻抗不匹配又会导致传输线上任何不连续处的信号反射。这些反射会干扰原始信号，并导致信号完整性下降。

一般而言，线宽控制在±10%的公差内，才能较好地达到阻抗控制要求。但随着高速PCB 布线密度的日益增加，线宽、线距越来越小，这意味着单位线宽对阻抗的影响将越来越大，因此，对线宽精度的控制需要更加精细化。

市面上的铜箔类型多种多样，但目前铜箔类型对线路加工精度的影响研究相对较少。本文以市面上常见的铜箔类型为例，研究其对线路加工精度的影响，以便更好地控制阻抗，满足高速PCB的加工要求。

1 试验设计

1.1 铜箔类型对线宽的影响

取常用的几种板材见表1，铜厚相同均为35 μm，铜箔类型包括超低轮廓铜箔（high volume low profile，HVLP）、反转铜箔（reverse treated foil，RTF）和高温延伸铜箔（high temperature elongation，HTE）。每种覆铜板（copper clad laminate，CCL）取两块，尺寸 为508 mm×609 mm。光绘设计线宽152.4 μm，线距100 μm，涵盖横、竖、斜3 个方向，线路无补偿。所有板件做好标记后一起经贴膜、曝光、显影、蚀刻、褪膜后测量线宽，线宽测量采取五点法，如图1 所示，即每块板测量四角加中间，每个点包含横、竖、斜3个方向，每块板的测量位置都相同。

图1 板面测量位置及每个位置测量的线路

表1 板材与铜箔类型

1.2 铜面形貌对比

取表1 中的几种CCL，分别在未经任何处理前、内层前处理后、蚀刻后采用激光共聚焦显微镜测量其表面粗糙度和表面形貌，通过铜厚测量仪测量铜箔处理前后的铜厚，以处理前与处理后铜厚的差值代表蚀铜量。

1.3 铜牙测量和电镜表征

对每种铜箔横截面都制取一个切片，然后在金相显微镜下测量面向基材面的最大铜牙。测量完后用微蚀剂对每个切片微蚀10 s，接着用蒸馏水冲洗掉表面残留的微蚀剂，最后吹干后用扫描电镜观察其截面结晶形貌。

1.4 蚀铜量与线宽的关系

分别取标称铜厚35 μm和68 μm铜箔类型相同的CCL。35 μm CCL 作为实验板，经前处理、贴膜、曝光后进行蚀刻，68 μm CCL 作为试片，与实验板一起蚀刻，用不同的蚀刻速度控制试片蚀铜量的大小，加工完成后，测量不同蚀铜量下对应的线宽。

2 结果与讨论

2.1 铜箔类型对线宽的影响

在蚀刻的生产过程中，经常发现相同铜厚的板件经蚀刻后线宽不一致，导致部分合格、部分不合格。为了查明原因，针对不同的铜箔类型经蚀刻后的线宽进行了分析，线宽主效应图如图2所示。

图2 3种类型铜箔的实测铜厚

由图2 可见，HTE 铜箔对应的线宽最宽，说明HTE 铜箔最难蚀刻，HVLP 铜箔次之，RTF 铜箔对应的线宽最小，蚀刻最快。试验重复3 次，结果均为HTE 铜箔对应的线宽最宽。对于此现象，本文有两种假设思路：①不同类型铜箔的标称铜厚存在差异；② 不同类型铜箔的蚀刻速率不一样。若每种铜箔的蚀刻速率一样，则标称铜厚越厚，线宽越宽。原始铜厚的箱线图如图3 所示，由图3 可知，HTE 铜厚较HVLP 薄，而线宽均值却较HVLP 低，说明第一个假设不成立。下文将针对第二个假设展开讨论。

图3 线宽与铜箔类型的关系

2.2 铜面形貌对比

为了查明不同的铜箔在蚀刻后线宽差异原因，本文对板件加工过程中的表面形貌、表面粗糙度、蚀铜量进行了监测。未经任何处理、内层前处理后、蚀刻后的铜箔表面形貌见表2。

由表2 可见，未经任何处理的铜箔表面形貌中，RTF 铜箔的表面粗糙度最大，HTE 和HVLP之间没有明显区别。内层前处理后的铜箔表面形貌与未经任何处理的铜箔相比没有明显差别，经蚀刻处理后的铜箔表面都变得相对平整，不同铜箔类型之间没有明显的区别，并且所有的铜箔表面均出现了一定程度的氧化。

粗糙度的测试结果如图4 所示。在未经任何处理时，RTF 铜箔的表面粗糙度明显大于其他两种铜箔，且经前处理后，3种铜箔的表面粗糙度整体都略微变大。经蚀刻后，RTF 与HTE 的表面粗糙度明显变小，HVLP 略微变大，3 种类型铜箔的表面粗糙度（Rz）大小顺序变为HVLP＞RTF＞HTE。

图4 加工过程中铜箔表面粗糙度变化

蚀铜量的结果如图5 所示。经过前处理后，蚀铜量的大小顺序为RTF（1.16）＞HTE（0.94）＞HVLP（0.85），经蚀刻后蚀铜量的大小顺序为RTF（22.9）＞HTE（22.1）＞HVLP（21.8）。综合以上现象可以推测，由于Rz较大，RTF 铜箔暴露出来的晶界多，在刚开始反应时，与药水的接触面积大，所以反应较其他两种铜箔快，这一点在前处理制程的蚀铜量上有所体现。在蚀刻制程时，随着反应的进行，铜箔表面逐渐平滑，此时铜的结晶致密程度将决定铜面的蚀刻速率。

陈郁弼［6］研究发现，HVLP 铜箔的晶粒明显小于其他2 种铜箔。晶粒越小，结晶越致密，蚀刻速率越慢，因此，在蚀刻制程的蚀铜量上体现为HVLP 的蚀刻速率最慢。但是，这仍然无法解释HTE 铜箔线宽高于其他2 种类型铜箔这一现象。

2.3 铜牙大小对比

HTE 铜箔面向基材面的铜牙大小明显高于其他类型铜箔，如图6 所示的切片图也证实了这一点。

铜牙的大小如图7 所示，HTE 铜箔的铜牙最大，RTF次之，HVLP最小。铜牙越大，嵌入基材中的铜越深，相当于局部铜厚增加，并且嵌入基材这部分铜与药水交换较为困难，因此较难蚀刻干净。这也是在3 种铜箔类型中，HTE 铜箔线路毛边最大、线路最宽的最终原因。因此，在标称铜厚相同的情况下，HTE 铜箔要想获得与其他铜箔相同的线宽，需要花费稍长的蚀刻时间。

图7 不同材料的铜牙大小对比

2.4 横截面扫描电镜表征铜箔晶体形状

不同铜箔类型的铜结晶存在差别［6］，对不同种类的铜箔进行了扫描电镜观察，结果如图8 所示。由图可见，RTF 与THE 铜箔的晶粒较大，HVLP 铜箔的晶粒较小，且结晶较为致密。铜结晶越致密，晶界越不明显。晶界处容易产生纳米空洞，导致铜结晶相对松散，在宏观上表现为更容易被蚀刻掉。这也从侧面说明了2.2节中RTF和HTE铜箔的蚀铜量大于HVLP铜箔。

图8 不同铜箔的横截面扫描电镜图

2.5 蚀铜量对线宽的影响

HTE 铜箔线宽均值比其他两种类型铜箔宽约2 μm（3 次实验结果取均值），因此需要单独控制蚀刻参数。不同蚀铜量下对应的线宽大小如图9所示。由图9 可见，线宽随着蚀刻量的增大而减小，并且在图示的蚀刻量范围内，线宽近似与蚀刻量呈线性关系。通过拟合得出的关系式为y=-1.761x+150.84，从该方程的斜率可以得出，在一定范围内，蚀刻量每变化1 μm，线宽约变化1.8 μm，因此，可以通过控制蚀刻线速控制蚀铜量，进而调节线宽。

图9 蚀铜量与线宽的关系

3 结语

影响阻抗的因素有很多，行业内关于阻抗的研究也越来越多。阻抗的管控并非一蹴而就，需要将每一个因子都管控好，才能更好地控制阻抗。本文研究了不同铜箔类型对线宽精度的影响，结果见表3。在相同的蚀刻条件下，不同铜箔的线宽存在细微差异，其主要原因是不同类型铜箔的铜牙差异较大，并且在晶粒、表面粗糙度、实际铜厚等方面存在细微差异。HTE 铜箔的铜牙较大，晶粒也较大，表面粗糙度小，蚀刻出来的线宽最宽；RTF铜箔的铜牙略大于HVLP，晶粒大小介于HVLP 与HTE 之间，表面粗糙度最大，蚀刻出来的线宽最小；HVLP 铜箔的铜牙最小，晶粒小且密，光面粗糙度小，线宽介于HTE 与RTF 之间。为了保持蚀刻线宽的一致性，不同类型铜箔应该采取不同的蚀刻参数，在蚀刻压力相同的情况下，蚀刻线速控制应为VRTF＞VHVLP≥VHTE。

表3 3种类型铜箔的特性比较