1、PCB 阻抗/損耗(Loss)影響因素

1.1材料特性

      高速產(chǎn)品對 PCB 有著高傳輸速率、低信號損耗的要求，而這些性能與PCB 板材的介電常數(shù)和損耗因子密切相關(guān)。一般地，按損耗因子的高低，基板材料可分為：

① Standard Loss(D:0.015~0.020)

② Mid Loss(Df:0.010~0.015)

③ Low Loss(Df:0.0065~0.01)

④ Very LowLoss(Df:0.003~0.0065)

⑤ Ultra LowLoss(Dr:<0.003)

五個等級。故在選擇材料時需要綜合考慮，材料性能從板材玻璃轉(zhuǎn)化溫度值(TG)、熱分解溫度值(TD)，空間膨脹系數(shù)(X-Y-Z軸)、耐熱性(T260-T288)、介電常數(shù)值 (DK)、介質(zhì)損耗值 (DF)，剝離強度值 (Peel)、吸水率 (Moisture Absorption)等幾個方面進行綜合評估?？蛻糁付ú牧瞎?yīng)商給 PCB 板材生產(chǎn)。本次客戶指定松下低損耗材料 R5775(G)(DK:3.46，DF 0.005)，客戶沒指定材料時，必須細心地選擇相關(guān)材料，才能達到既有利于生產(chǎn)加工可行性與生產(chǎn)效率，又能夠達到高性價比的產(chǎn)品設(shè)計要求。

1.2 線路技術(shù)

       PCB 阻抗/損耗中導(dǎo)體損耗主要為線路品質(zhì)差異產(chǎn)生。其品質(zhì)體現(xiàn)在線路的尺寸數(shù)據(jù)的管控，數(shù)據(jù)表現(xiàn)為線寬的均勻性，線路銅層厚度及其表面粗糙度。而銅箔粗糙度箔有低輪廓銅箔(HVLP 銅箔)、反轉(zhuǎn)銅箔(RTF 銅箔)和高延伸性銅箔(HTE 銅箔)在驗證LOSS結(jié)果時，本文客戶指定使用反轉(zhuǎn)銅(RTF銅箔)往往單獨設(shè)計 LOSS 模塊驗證。通常設(shè)計采用2inch，5inch 和 10inch 的線路長度，輔以過孔背鉆方式。

1.3 鉆孔控深鉆技術(shù)

      背鉆主要是在通孔中去除一段孔銅，當鉆去多余孔銅時，信號則按原路返回，此時即可抵消去路信號產(chǎn)生的電感，最大程度降低信號失真現(xiàn)象。而去除通孔深度和殘留部分深度(簡稱殘樁)值的多少直接影響信號的損耗程度，也成制約最終阻抗和損耗(Loss)達標的重要因素之一。

2、現(xiàn)狀分析

2.1 材料選用

1、服務(wù)器 PCB 的損耗(Loss)的 DOE 設(shè)計試驗

       通過 FA 批產(chǎn)品前期測試，根據(jù)內(nèi)層使用油墨和干膜、線路多補償 0.2mil(油墨)和 0.4mil(干膜)，三種不同的藥水棕化，分別在一處和六處，各種條件生產(chǎn)制作 2PNL，共設(shè)計8種方案制作16PNL。

表1 高速PCB低損耗不同條件制作測試表

圖5 損耗的四因子2水準的 DOE 試驗圖

      圖5試驗結(jié)果顯示，通過線寬比正常補償多補償5μm，介厚 PP 含膠量在 75%( 以前 70%)，A系列超低粗化棕化藥水，B系列傳統(tǒng)棕化藥水，排版傾斜7度(以前3度)的參數(shù)制作出PCB的損耗最小，依據(jù)客戶提供 SI(信號完整性標準)測試 Coupon,測量 Loss 條中 2、5、10inch的線在4GHz，8GHz，12.89GHz，16GHz內(nèi)外層的 85 歐姆 1oss 值。圖中顯示出的是 2inch Loss條在 4GHz的內(nèi)層 85 歐姆的 Loss值。檢測結(jié)果 0.286db/inch，在16次測試值中最小，并小于最大值 0.35db/inch。其它的測試值逐一驗證，其結(jié)果皆顯示同樣的標序11條件(線寬多補償0.2mil，75%含膠PP，ATO棕化藥水，排版傾斜7度)，Loss 值最理想。呈現(xiàn)出較好的結(jié)果優(yōu)勢，測試出工藝制作最佳的條件參數(shù)。

表2 22層服務(wù)器PCB板測量Loss值

2、PCB 工藝流程優(yōu)化

       22 層服務(wù)器高速 PCB，原工藝流程制作完成后出現(xiàn)控深孔孔徑偏小現(xiàn)象，經(jīng)分析為鍍銅偏厚造成，此PCB電鍍經(jīng)過板電、CAPPING電鍍和圖形電鍍共計三次電鍍制程作業(yè)。

(1) PCB 的原流程

開料→內(nèi)層→內(nèi)檢一壓合一鐳射盲孔一鉆孔1→板電→圖電1→鉆孔2→樹脂塞孔→外層1→減銅一研磨→CAPPING 電鍍→外層2→圖電2→背鉆→堿性蝕刻→外檢→防焊一文字→→阻抗測試化金一鉆孔3 →成型→成測→ FQC→包裝

(2) PCB 的新流程

開料→內(nèi)層→內(nèi)檢一壓合一鐳射盲孔→鉆孔1→板電1→圖電1→鉆孔2→樹脂塞孔→研磨→外層1→減銅→研磨→鉆孔3→板電2→外層2→圖電2-背鉆→堿性蝕刻→外檢→防焊→文字→阻抗測試→化金→鉆孔4→成型→成測→ FQC →包裝

       對比原流程與新流程，原流程 PCB 板鍍銅3次(板電、CAPPING 電鍍和圖形電鍍各1次)，新流程制作在原流程的基礎(chǔ)上把鉆孔和板電工序各新增加一次。把原鉆孔一次性把所有通孔和控深孔鉆完，分為兩次生產(chǎn)作業(yè)。第一次鉆需要塞樹脂的通孔和控深孔先鉆孔完成，生產(chǎn)完后轉(zhuǎn)樹脂塞孔再 CAPPING 電鍍;第二次鉆非樹脂塞的孔，后續(xù)再轉(zhuǎn)板電流程，續(xù)流外層圖電正常流程作業(yè)。此改善方案有效避免所有通孔和控深孔鉆經(jīng)過 3次鍍銅的工序，不易管控孔銅和面銅厚度問題。確保鍍銅品質(zhì)和產(chǎn)品阻抗和損耗的公格率提升。

1、開料

       根據(jù)客戶要求，設(shè)計好生產(chǎn)板工作尺寸，選用好大張的基板材料開料后。也有依據(jù)需要尺寸，請購口已裁切好的 PNL 小尺寸基板，經(jīng)烘烤(190℃℃ *4H)下轉(zhuǎn)下工序制作。

2、內(nèi)層

       依據(jù)客戶提供 PCB 設(shè)計藍圖，因尺寸較大，排版1PCS/PNL。使用客戶指定的松下基板，進行內(nèi)層線路制作。用LDI專用油墨，膜厚控制11±2um，曝光采用大族 LDI，線寬管控層別:L3/L5/L7/L9/L14/L16/L18/L20，成品線寬:3.5mil，成品線距4mil，線寬蝕刻公差士20%，實際阻抗線管控+8%~7%。選擇蝕刻均勻性>97%的線體生產(chǎn)，同條線路上中下線寬控制0.1mil以內(nèi)。蝕刻1/10Z參數(shù)5.3M/MIN;2/20Z參數(shù)3.5M/MIN。

3、內(nèi)檢

      依據(jù)相關(guān)只可修殘銅，不允許補線。AOI偵查超細線功能，依據(jù)原稿設(shè)計參數(shù)作業(yè)，首件良率 95%以上量產(chǎn)，批量制作完后全檢 AOI，其 L2-L21良率在90%~100%。

4、壓合

       棕化前PE沖孔沖7顆孔，除L形3孔以外，還需以中心鉆孔方式?jīng)_出其他外圍4顆孔，靶距:X1=399.397mm，X2=404.397mm，Y=583.238mm，棕化按 5m/min 線速，高速材料棕化站需烘板，烘120℃ *60 分鐘。棕化后管控12小時以內(nèi)熔合鉚合完，首板檢驗層偏合格后量產(chǎn)全檢層偏，PP張數(shù)，內(nèi)層 Core的正確率 100%。壓會使用專用M6程作業(yè)(博可壓機抽真空多增加5分鐘)。FA 首件板切片介層厚度(基板及 PP)公差:±10%，熱TMA測TG值DetalTG，CTE，熱應(yīng)力測試合格后量產(chǎn)。

圖6 傳統(tǒng)藥水與低粗糙度藥水生產(chǎn) PCB 差分微帶線的損耗對

表3 傳統(tǒng)藥水與低粗糙度藥水處理后銅粗糙度測試結(jié)果

5、鐳射盲孔

       依據(jù)鐳射程序使用ConformmalMask作業(yè)，開窗大小與鐳射孔等大管控。L13/L12層鐳射盲孔，程式副檔名為:*.S13/S12。生產(chǎn)首件測量孔寬度及深度IPQC 確認合格后量產(chǎn)。

6、 鉆孔 1

       僅鉆需樹脂塞孔的 PTH(客戶指定過孔及需樹脂塞孔背鉆對應(yīng)的通孔)使用高難度參數(shù)生產(chǎn)，孔小于0.5mm鉆咀使用全新的鉆咀,孔壽命設(shè)置 500 次更換。首板檢查無孔偏，量產(chǎn)完使用驗孔機 100%檢查。檢測通孔及壓接孔孔徑是否堵孔。并測量孔精度的 CPK>1.33。

表4 鉆孔參數(shù)表

7 、板電 1

       先等離子除膠，生產(chǎn)前烘烤，其條件190度*2H。烘烤完后停留時間≤4小時，轉(zhuǎn)沉銅水平線作業(yè)。采用六處脈沖電鍍制作，確?？足~在 0.9~1.0mil。

8、圖電 1

       鉆孔后進行高壓水洗后轉(zhuǎn)圖電，先整板鍍錫，鍍錫參數(shù):10ASF*15Min。要求只鍍錫不鍍銅作業(yè)。

9 、鉆孔 2

      圖電后轉(zhuǎn)鉆孔進行機械背鉆，分別第一和第四象限，鉆出不同深度。第一象限是從第一層，分別鉆到L4/6/8/13/15/17/19，不可鉆穿對應(yīng)的次層L5/7/9/14/16/18/20。其深度分別為0.36mm0.65mm，0.94mm，1.71mm，1.9mm，2.29mm，2.58mm.其Stub值皆為7+5mil制作首件板切片分析背鉆孔深度值，符合要求后量產(chǎn);第四象限是從第 22層，分別鉆到L19/17/15/10/8/6/4，不可鉆穿對應(yīng)的次層L18/16/14/7/5/3。其深度分別為0.36mm，0.65mm，0.94mm，1.71mm，1.9mm，229mm，2.58mm。其 Stub值皆為7±m(xù)il，背鉆深度大于1.0mm，分三步，量產(chǎn)前制作首板切片分析背鉆孔深度值，符合要求后量產(chǎn)背鉆完高壓水洗壓力 2.5kg/cm’，水洗后檢查，確保背鉆無堵孔。

圖7 22層背鉆深度切片確認后結(jié)果

10、樹脂塞孔

      油墨使用山榮10HF塞孔油墨，樹脂塞孔與小孔背鉆孔一起塞孔，需塞孔兩次，正反兩面各塞次。塞孔鋁片分別命名為:SZSK2-1，SZSK2-2，塞孔研磨后 AOI全檢，不可漏塞，塞不滿，飽滿度100%。

11、研磨

       將板面多余的樹脂研磨掉，保持板面平整。面銅控制 1.2~1.5mil。

12 、外層 1

     干膜封孔,使用鴻瑞干膜HD250,蓋孔的干膜寬度:24inch，干膜封孔，CAM 需設(shè)計出底片(正片，僅封樹脂塞的 PTH 孔)，工具名:L1gk;L22gk，使用IDI曝光，能量 90mj;顯影速度 4m/min。

13、減銅

      使用專線減銅厚度到0.9±0.1mi。生產(chǎn)前后使用銅厚測量儀測量銅厚值合格，記錄數(shù)據(jù)供后制程參考。

14、研磨

       減銅后去膜板面干膜轉(zhuǎn)板研磨線生產(chǎn)，研磨一次測量面銅厚度，磨板后銅厚控制 0.7~0.9mil，符合要求即可。

15、鉆孔 3

      鉆非樹脂塞孔的孔，使用 CCD鉆機生產(chǎn)。鉆孔程式副檔名:2nd;2nd.inn。鉆孔使用高難度參數(shù)生產(chǎn)，孔位公差士0.05mm，0.99mmNPTH孔公差+0.05/-0.025mm，鉆咀研次≤2次。裝托盤轉(zhuǎn)板。

16、板電 2

       銅后切片首六處脈沖電鍍，沉銅板電 0.3~0.5mil，件確認壓接孔孔銅厚度要求。

17、外層 2

       板電后轉(zhuǎn)外層前處理，4m/min 速度進無塵車間壓膜作業(yè)，使用干膜寬度:23.875inch。背鉆孔雙面開窗保證鍍錫良好，底片類型:正，工作稿線寬:4.7mil工作稿線距:2.6mil。

18、圖電 2

電鍍最小 0.7mil，成品面銅最小1.9mil，孔銅最小 0.8mil，樹脂塞孔的過孔需做 Capping 電鍍，凹陷度< 25μm，量平整對于成品<0.50mm 孔，孔銅必須>18μm，其他按最小20um，平均25m。滿足壓接孔的孔徑公差±0.05mm。

19、背鉆

       第四象限是從第22層，分別鉆到L19/17/15/10/6，不可鉆穿對應(yīng)的次層L18/16/14/9/5。其深度分別為0.36mm，0.65mm:0.94mm，1.71mm，2.29mm，其Stub值為7+5mil制作首板切片分析背鉆孔深度值，符合要求后量產(chǎn)背鉆完高壓水洗壓力 2.5kg/cm’，水洗后檢查，確保背鉆無堵孔。

20、堿性蝕刻

      成品線寬:3.5mil，成品間距:4mil，線寬蝕刻公差±20%。SMT焊盤公差控制標準為:>15mil的SMT焊熱依原稿大小的土20%，≤15mil的SMT公差按 +2/-0.5mil管控。特殊管制:首件一般線公差按士10%，阻抗線按士8%進行管控。選擇蝕刻均性>95%的線體生產(chǎn),同條線路上中下線寬控制0.2mil以內(nèi)。蝕刻大于 10Z 參數(shù) 5.5m/min。

21、外檢 AOI

       成品外層環(huán)寬(支撐/壓接)孔應(yīng)>50um，非支撐孔(即不插件的 PTH)應(yīng)>20um，按圖紙要求測試指定區(qū)域，測量工程部標出所有需要測試線寬/線距位置。線路殘銅短路可修補，開路缺口不可修補。批量制作完后全檢AOI，其良率L1:85%，L22:90%。AOI后插架烤板烤板 150度 *6H，后轉(zhuǎn)防焊。

22、防焊

    阻焊面:C+S面，阻焊油墨顏色:深綠色，粘度100~120dpa，最小阻焊厚度:0.4mil，最大阻焊厚度:0.866mil。先使用鋁片塞孔，然后印刷防焊面油，印刷濕膜厚度控制 35~40μm。PAD 中心間距≤0.4mm基材上防焊厚度不得高于 SMT 高度 15um，其他間距pad 基材防焊厚度不能高過 SMT 高度。線角>4um,基材上的阻焊必須比相鄰焊接PAD<5wm，走線上阻焊比相鄰焊接PAD≤50μm，塞孔不可高出銅面60μm。采用網(wǎng)屏DI機曝光，自動漲縮對位，PE管控 ±20μm，曝光能量控制 11~12 格。

23、文字

      文字油墨白色，字符面:C+S面。ULMark:斜兄+R SH27 94V-0，周期格式:wWYY。

24、阻抗測試

      客戶提供 SI測試 Coupon，Deltal法設(shè)計兩條不同長度的傳輸線，測量 Loss條中2、5、10inch 的線在4GHz，8GHz，12.89GHz，16GHz內(nèi)外層的85歐姻Loss 值，詳見Loss 圖紙,需側(cè)板內(nèi)阻抗,有測試點菲林。

25、化金

       化金金厚最小:2u"，化金金厚最大值:10u"，化金鎳厚最小值:118u"。鎳腐蝕按廠規(guī)管控<20%;槽 MTO 不可超過 2，隔槽插架，首件金鎳厚合格后方可批量生產(chǎn)，量產(chǎn)完隔紙放盤轉(zhuǎn)板。

26、鉆孔 4

      使用第一象限，鉆孔程式副檔名:3nd;3nd.inn，用CCD 鉆機生產(chǎn)，鉆咀研次≤2次，芯片BGAPAD 與周圍成品大小1.016mm(0.991mm)孔位置度公差0.035mm，成品大小3.175mm孔位置度公差±0.05mm，使用CCD抓單元內(nèi)光學(xué)點(工藝反饋BGA PAD 無法抓取)以二鉆方式加工。

27、 成型

其方式:CNC，成型后尺寸為寬417mm*長400mm，出貨面積:0.1668m。鑼板前需將板邊和LOSS Coupon 編號，貼標簽轉(zhuǎn)移至板內(nèi)。

28 、測試

使用飛針板彎翔小于 0.7%，板翔厚度:4.04mm。

全測，100%找點分析報告，其一次良率 90%。

3.29 FQC

品保規(guī)格:IPC-A-6002級。其一次良率 80%。

3.30 包裝

依據(jù)客戶要求包裝方式進行包裝作業(yè)，包裝完及時入庫恒溫恒濕儲存。PCB 相關(guān)測試見表 5。

1、 高速 PCB 良率總結(jié)

        通過全制程 NPI跟進制作，其主要制程的良率統(tǒng)計如圖 8。

圖8 22層PCB相關(guān)制程良率趨勢圖

小結(jié): 此料號 22層服務(wù)器 PCB 從制程良率來看符合 FA 板中多層板(>10L)首次制作大于 85%，后續(xù)良率提升，工藝針對各制程不良進行詳細分析，制定改善對策，跟進持續(xù)改善。

2、成品 LOSS 檢測結(jié)果

表5 PCB 相關(guān)測試

3、PCB 阻抗總結(jié)

       通過此批高速 PCB 制作，總結(jié)制程中制作低損耗的需求，從材料選擇、介質(zhì)匹配、銅選用及棕化處理程度，以及流程優(yōu)化、背鉆深度做嚴格管控。后續(xù)生產(chǎn)相關(guān)類似的產(chǎn)品提供參考方法。

       高速 PCB 制作過程中，結(jié)公各制程其良率分析(測試結(jié)果見表 6、表7和表8)如下:

(1) 內(nèi)層一次良率為 91%，不良率 9%，次品缺陷中前三大為:開路，板折，殘銅。主要原因為內(nèi)層 20Z芯板厚 0.05um，過水平線容易褶皺和卡板。搬運易

板折出現(xiàn)。

(2) 外層一次良率為 90%，不良率 10%，次品缺陷中前三大為:短路，殘銅，刮傷。主要原因為板邊鍍銅厚度不均，個別處出現(xiàn)蝕刻不凈，殘銅造成短路。

(3) ET測試良率88%，不良板2PNL，不良率12%。不良缺陷開路與短路各 1PNL。外層開路1PNI為劃傷線路，短路 1PNL通過水平切片分析為內(nèi)層異物造成短路異常。

(4) FQC 檢驗一次良率為 86%，不良率 14%，不良板 2PNL 主要缺陷為 1PNL防焊異物，刮傷，另1PNL為金面粗糙。

表6 服務(wù)器22層的阻抗測量

表7 服務(wù)器22層高速PCB的損耗測量(頻率1~2)

表8 服務(wù)器22層高速PCB的損耗測量(頻率3~4)

4、 高速 PCB 的損耗總結(jié)

(1)高速 PCB的損耗，確保產(chǎn)品通過率，必須使用低損耗材料制作。同種材料，不同的介質(zhì)含量，因其厚度差異對損耗存在影響，此次制作采用75%與70%的含膠量測試損耗亞均值分別為0.336和0.352，其損耗前者比后者減少 1%~3%。

(2)高速 PCB 的損耗通過使用低粗糙度棕化藥水與傳統(tǒng)棕化藥水對比測試出損耗平均值為，低粗糙度棕化藥水對降低損耗有貢獻度，比傳統(tǒng)棕化藥水的產(chǎn)品損耗偏小 3~7% 的優(yōu)勢。

(3)高速 PCB 的損耗通過使用排版旋轉(zhuǎn)角度(目的減少玻纖效應(yīng)降低損耗)，同一種棕化藥水生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)7度角比旋轉(zhuǎn)3度角，其損耗有降低 2~3%。

參考文獻

[1]程柳軍.玻纖效應(yīng)對高速信號的影響 [.印制電路信息,2015.82