1.引音
PCB的特性阻抗（characteristic impedance ，Z0）的高精度控制，成为了近一、两年来世界覆铜箔板（CCL）业
一具新的重要课题。在看作展示世界PCB及其基板材料一个前沿技术发展的窗口——日本印制电路2000年的展览会（JPCA Show'2000）上，将它与绿色型基板、封装基板其它项列为该届盛会中的三大“中心话题”。由此可见：特性阻抗（Z0 ）的高精度控制，已成为了PCB及其基板材料厂家亟待解决的重要课题。
近年，电子信息产品、通信产品正逐步走向高频人、高速化。它们所用的PCB及其基板材料也随之迈入了全新的变革时期。在这其中，覆铜箔板在电子电路安装方面的功能、作用和地位也有了新的转变。它主要表现在以下两方面：
其一，以往传统的覆铜箔板通过加工成PCB后，作为IC及其它电子元器件组装的基板，只起到一个电路层面和各电路层间的元器件和部件互连的功能。但随着芯片制造技术的进步，以及先进安装技术、半导体封装技(如：BGA、CSP、MCM等)的问世与发展，PCB及其基板材料由“互连”的角色，逐渐转变为“信号传输线”（transmission Line）。
其二，覆铜箔板产品的设计、制造、应用技术，已打破了作为单独的电子基础材料传统观念，而融入了电子系统一体化中。为达到电子产品的高可靠性、轻薄短小化、多功能化、高密度化而发挥更大的功能。台湾工研院一位安装技术研究专家将这一转变，作过一个形象的，易于理解的解释：过去整机电子产品及其PCB产品的设计者，是在现有不同性能的各类CCL中选择使用PCB的基板材料。而现在是根据电子产品系统一体化思想进行产品设计和发展系统技术。这就要求CCL要达到所需要的特有性能。即“过去比较容易直接买到现有材料，但现在是适应系统的要求，必须从产品设计的眼光，去调配材料的性能。这对于基板材料开发者而言亦是一个挑战“（引自台湾《电子与材料》2000年第8期）。
近年CCL在达到了Z0 高精度控制方面，而出现的技术创新和发展，就是上述两个观念转变的重要实例之一。
现代覆铜箔板的技术开发，可分为战略性开发、产品工艺技术开发和产品应用技术开发三具方面。本文围绕Z0  高精度控制问题，力图从上述三具方面开发的角度，去探讨、介绍世界上（特别是日本）CCL业界的技术进展。
2.到高精度特性阻抗控制是覆铜箔板性能提高的新课题
2.1特性阻抗
直流电的电流通过一个导体时会受到一个阻力，这个阻力称为电阻（R）。当交流电的电流通过一个导体时，同样也受到一个阻力，但所不同的是，这种阻力和前面所述的直流电流所遇到来自电阻的阻力外，还有感抗（XL）和容抗（XC）的阻力的问题。因此，电路或元件对通过其中的交变电流所引起的阻碍作用，称为阻抗（impedance）。在计算机、无线通信等电子信息产品中，PCB的线路中的传输的能量，是一种由电压与时间所构成的方形波信号（square wave signal），称为脉冲（pulse）。它所遭遇的阻力则称为特性阻抗。
２.２特性阻抗的精度控制
特性阻抗与传输线的电感（L）及电容（C）　大小有关。其关系式为Z0＝Ｌ／Ｃ。特性阻抗是由电阻（Ｒ）、电容（Ｃ）、电感（Ｌ）等的综合特性表示值，其关系式为：Z0＝√(Ｒ+jwL).(R+jwc)–１　。示为：ρ＝（Z1－Z0）／（Z1＋Z0）。该式中Z1为输出及输入元件的阻抗值。而Z0为传输线的特性阻抗值。由此式可知：只有当Z0与 Z1
相等时，才不会出现反射问题。为了更好地发挥PCB的传输功能，PCB线的特性阻抗与搭载、互连在其上的ＩＣ及元器件本身的输入及输出阻抗，必须能够互相匹配，阻抗值偏着要小。也就说，传输线的负载阻抗等于传输线的特性阻抗，因而从信号源传输到负载的能量为最大，而反射和失真均为最小，这种工作状态称为“阻抗匹配，”（impedance matching）。只有达到阻抗匹配，才能减少在信号传输途中或终端所产生的能量反射和损失，以降低杂波及串扰（crosstalk）、杜绝失真及减少信号传输中的延迟，使信号的能量得到完整的传输。
因此，就PCB计的角度来看，特性阻抗与元件的匹配，杂波与串扰的控制，是很重视的方面。特别是在高频或高速数字信号传输技术不断发展的现今。同时，必须要使整个组件（可以相对于一块PCB）传输线的特性阻抗保持恒定和稳定。总而言之，Z0 的匹配及总线上的稳定，都需要对PCB的Z0控制在某一精度的范围内(如：标准设计值的±１０％、或±７％、或±５％)。
２.３课题发展背景
现代电子产品系统一体化的思想，将PCB及其基板材料融入其中，并把它在其中的作用、特性要求按系统一体化安装的实际构成形式的差异划分为三个等级基板（见图１）。即封装基板等级（包括BGA、CSP等基板，称为一级）、组件基板等级、（包括MCM、存储器、功能卡等，称为二级）、母板等级（又称印制电路主板，称为三级）。下分别以系统的观点，分述各等级基板对特性阻抗高精度控制要求的技术进展和发展趋向。
（１） 等级１的封装基板
BGA型封装、CSP型封装向着更高密度化、高功能化方向发展。它对基板的Z0定性、精确性的需求是十分重要的。近年封装基板的有机树脂化，使得有机树脂材充当基板介质层，在介电常教性方面大大代于原采用的陶瓷基材。在介质层厚度控制精度方面，也有利陶瓷材料。这样对Z0的高精度控制是十分有利的。    
（２） 等级２的组件基板
组件基板特性阻抗值控制的发展趋向，是其Z0波动度由±１５％向着±１０％以及±１０％以下要求发展。
对于PCB确实为Z0度为±１０％的控制要求，最初是由电路800MH２频率信号Direc Rambus的DRAM(RIMM)模块（随机存储器）。近年，美国Rambus更加严格（２８Ω±１０％，５６Ω±１０％）。并且为了保证计算机主机和交换机内部电路可实现更高速动作。Rambus推荐使用RIMM时，采用的PCB的微带线等构造设计，Ｚ０精度应采用±１０％的指示。
另一方面，在计算机中采用的微处理器（CPU）、存储器（如DRAN）组件，由于普通发展为高速化，促使PCB必须在Z0控制精度上有所提高（见图２）。鉴于这种发展趋势，基板材料生产厂家——日本松下电工有关专家预测：“2001年间，在特性阻抗控制精度，对PCB要求将会出现±５％的可能"（引自日本《NIKKEI ELECTRONICS》2000年第２期）。
图2. 世界计算机中的CPU及存储器高速化的发展及对Z0精度控制的要求
(３)等级３的母板
对于母板（印制电路的主板）的Z0精度控制的提高，主要表现在三个方面：
①存储组件等性能上高速化的实现，目前着手解决的重点在于基板方面。这不但要求组件基板（等级２的基板）降低Z０的偏差，而且发展趋势是，将此解决的重点还转移到母板上。即提高母板上的总线频率（bus frequercy），提高母板对Z０精度控制的性能。以此保证存储模块等的阻抗特性。
②民用电子产品等用的多层板属于等级３母板之列。在近一、两年间，这类电子信息产品（主要指移动电话、笔记本电脑等小型轻量化产品）实现高频信号传输技术的开发获得很大进展。在此领域产品中，高于200ＭＨ２的高频信号得到在PCB上的可靠传输的新技术，已在近期获得确定。在超200ＭＨ２的电路中，Z０的特点是变化波动大，易引起杂波、反射，到使信号失真。因此必须要在一定值的范围内达到匹配（整合），并提高它的精度控制。这已是摆在设计整个电路中的十分重要的问题。
③在远程通信交换机和基地工作站的通信装置中，应用比例很大的基板是背板（backolane）。它属于上述划分的等级３的母板（见图３所示）。背板是组合了多个子板（daughter board ,相当于等级２的基板）。
　　作为世界尖端技术现状与发展而进行不断调查、预测工作的美国BPA咨询公司，在2000年间提出这种通信设备用背板，“目前在高速传输性能的提高上，已成为发展中的‘瓶颈’。它有待于采用新技术加以解决。而在此方面，主要是提高对背板的阻抗控制精度”(引自日本的《电子材料》，2000年第10期，BPA咨询公司Mark Hutton文：“通信产品领域中特性阻抗控制的现状”)。
2.4PCB的Z0精度控制提高侧重点在基板材料
综上所述，所提出的PCB在Z0精度上的提高的问题，实际需要是在基板材料上得到重点解决。即主要依赖以环氧玻璃布基覆铜箔板（FR-4板）为主流的基板材料在Z0控制精度方面的性能提高。
按照IPC标准（IPC-D-275，IPC-D-3174），目前PCB在电子电路设计上主要有四种常见的PCB传输线的组成结构及其计算公式（见图4所示）。这四种组成结构分别为：微带线(microstrip)嵌入状微带线 (embedded microstrip, 又称涂覆微带线)、带状线 (stripline),双带状线(dual sripline，又称：对称带状线)。
图4. 四种常见的PCB传输线组成结构及其相应的计算公式。（图中DK表示）
以最常用的微带线为例，它的Z0关系式中有四个影响Z0的因素。即绝缘层的介电常数（ε）、绝缘层厚度（H）、导线的宽度（W）、导电层（包括铜箔和镀金属层）的厚度（T）。而其中的三个因素（ε、H、T）是与XXL本身特性直接相关的。而剩余的一个因素（导线的宽度）也是与CCL本身特性有着间接的关联。
可以根据目前CCL制造技术水平，作出这四个因素项目的精度范的分别设定：
·绝缘层厚度：0.10±0.02 mm.
·导线宽度：0.20±0.02mm.
·介电常数：4.8±0.15
·导体厚度：0.035±0.005mm
这样将这设定的四个因素的参数值（包括误差范围值）代入微带线的Z0关系的公式内(公式为：Z0=87 ε+1.41×ln[5.98H 0.8W+T])。所得到的各因素项目对Z0精度控制的影响的各自百分比例。它们分别 为：绝缘层厚度为63%，导线宽度为25%，导线厚度为8%，介电常数为4%（见图5所示）。               
图5 ，对PCB的Z0精度有关的四个主要因素，其影响程度的百分比例
从上述估算结果，也得到这样一个结论：覆铜箔板（或者说多层板用基板材料）的绝缘厚度的精度的高低，对Z0精度控制是最重要的影响因素。其次是导体的宽度。
3.Z0高精度控制方面的覆铜箔板制造技术
3.1概述
特性阻抗控制方面的覆铜箔板制造技术，在国外是近两、三年才开始被重视、被开展起来的。这项课题的开展，在技术上的研究、开发的成果细列于表1之中。总的来说，有几大改进、提高的技术途径：①打破传统的“间歇式”的CCL生产工艺方式；②采用新型树脂、增强材料及新型铜箔；③在现有的传统工艺方式中，通过工艺性改进，提高半固化片、成型板的厚度精度。

表1 四个影响因素在PCB、CCL方面的工艺改进与创新
影响因素项目  绝缘层厚度（H） 导体层厚度（T） 导线宽度（W） 介电常数（ε）
直接由PCB采用的新技术  采用在层压多层PCB前的埋孔工艺法，如B2it、ALIVH等  对铜箔先用蚀刻法减薄
图形电路下部形状的平地化  克服PCB蚀刻加工的侧蚀  形成图形电路的连续加工法  蚀刻液或蚀刻条件的改进、开发   曝光加工方面的位置重合精度的提高   图形电路下部形状的平坦化
CCL制造技术的改进与创新  CCL制造工艺方式，采用连续法   新型绝缘基板材料的重新开发   改进率固化片性能指标，降低性能值偏差   开发低流动度、高外观性能的半固化片  采用薄铜箔   采用新型低ε的增强材料，制作CCL（如芳酰胺纤维无纺布）  降低同一块CCL的ε分散性
配合PCB，间接由CCL采用的新技术   提供新型的半固化片材料  提供相应的半固化片材料  采用芳酰胺纤维纺布等；采用新型结构玻纤布；采用液晶聚合物薄膜作绝缘层的CCL；采用低轮廓铜箔    连续法生产卷状CCL  提高板的尺寸稳定性   采用新型增强材料；采用低轮廓铜箔
3.2提高板厚的精度
3.2.1改进、提高上胶、压制的工艺
（１） 住友电木的研究成果
日本CCL大型生产厂家之一的住友电木公司在原传统的CCL制造工艺的基础上，围绕着板的Z0精度的控制问
进行曲了深入的厂家和开发工作。他们对上胶、压制工艺技术进行了改进、提高。该公司通过对一般FR-4板的大量测试，得到目前板厚精度的把握能力的实际水平（见图6所示）。它的板厚最大值与最小值相差的最大值（误差范围，用R表示）为44um。        
图6.目前一般FR - 4 板厚精度的控制现状
住友电木还对在CCL制造过程中影响板的厚度精度的各项因素进行了查找和分析（见图7所示）。并且认
固化片质量、板成型设备与条件以及压制成型时各层不同位置（指离压机加热板远近的位置）的树脂流动程度的控制，是对最终成型的板厚精度影响的重要因素。也是改进、提高板的厚度精度的关键。
住友电木该课题开发中，还对板厚精度与半固化片的胶化时间（GT）的关系，与半固化片含胶量（RC）的关系
以及与压制条件（升温速度、压制压力）关系，做了大量的研究性试验，其结果分别参见图8~图11。这些试验结果，不但从上胶、压制工艺参数高度更细致的研究了对板厚精度影响情况及规律，而且给我们提供了FR-4板半固化片生产和极成型加工中主要参数变化的参考数据。
通过上述工艺性试验可以认识到：在压制工艺条件恒定情况下，半固化片的胶化时间低和含胶量低有利于提高板厚的精度。据此，住友电木在保证不降低板的综合特性（外观等）的前提下，选择了可提高板厚精度 撮优化半固化片技术指标。并且还建立了以实现减小半固化片纵、横方向各个点的GT、RC分布偏差为目标的新“制造管理方式”。在压制成型加工条件与板厚精度关系试验中，得到的是升温速度慢、成型压力低有利于提高板厚精度的结果。而为了提高板厚精度对压制条件的改进，还必须考虑不降低生产性（生产效率）和成型性（不发生板的层间空隙等）。因此，要满足各方面的特性要求，实现非常高度的生产条件管理，显得更为突出和重要。
经过以上研究和工艺上的改进，住友电木在2000年开发出适应Z0精度控制的高板厚精度的CCL产品（ELC-4765V）。这种CCL，通过板厚度的测定（在600×500mm的同一块CCL中），其最大值与最小值之差值（R）达到15mm。即该新产品的R达到了一物质财富FR-4板R的1/2以下（见图12）。ELC-4765V在主要特性上，与一物质财富FR-4板(住友电木的牌号为：ELC-4765)保持在相同的水平上，并且在剥离强度（18um厚度铜箔）比一般FR-4板还有所提高(由1.45KN/M提高到1.64KN/M)。
（２） 东芝化学的研究成果
日本东芝化学公司电子部材事业部技术部在开发具有高精度控制特性的FR-4板中，通过试验认识到：较低流动
的半固化片，在生产出CCL或多层板后其板厚精度较高。但所成型的板材有层间空隙、气泡的产生。这使得板的外观及有关性能有所下降。该公司通过努力研制开发工作的开展，于2000年间独自创造成功了新的半固化片制造技术。开发出了即为低流动度，成型板外观又优良的FR-4型半固化片材料(牌号：TLC-W-551Z)。
利用TLC-W-551Z（半固化片）制造出的0.13mm板厚/0.035mm铜箔厚和0.20mm板厚/0.018mm铜箔厚的两种铜箔板，在板的单点厚度公差方面有很大的降低。特别是过去FR-4板存在的板端部（约40mm左右内）的厚度值与总体厚度值相差较大（端部偏薄）的问题，得以解决（见图13所示）。

在板的成型加工中，东芝化学公司通过试验结果证明：半固化片压制时，由各板的坯料在压机加热板间摆放的位置不同，造成树脂流动程度的差异。在两加热板间多块板压制成型中，靠加热板近的板比靠中央的板在树脂流动程度大。这种偏差，会引起板与板之间板厚度的偏差。东芝化学通过半固化片生产工艺上的改进，这种成型加工由位置不同而引起的树脂滚动程度偏差，得到缩小（见表2）。
表2 树脂流动程度差异及成型加工后外观质量对比
新开发的FR-4  原FR-4  树脂流动程度mm  靠加热板部位  2.0  5.0  靠中央部位  1.0  3.0  靠加热板部位
空液  0  3.0   气泡  0  0  靠中央部位   空隙  0  2.0  气泡  0  0
*注：对外观选题检测（有否空隙、气泡）的面积为500×330mm，样品共12块。表2所示结果为平均值。
通过用这种低流动度的的新型半固化片压制成型所制成的8层的RIMM基板，进行曲板的各层间厚度的测定（对多层板整体剖面用光学显微镜进行测定），其结果见表3所示。其测试的对比多层板，在厚度偏差上是明显的减小。
3.2.2采用连续法生产CCL
（１） 连续法工艺技术的发展
打破传统的“间断式”CCL生产制造工艺法，实现它的制造技术的连续法，可以很幅度的提高板厚度精度。连续化在近四十年的发展中，主要有两大类方式：一种是半固化片生产起就开始连续生产制造CCL。
20世纪60年代间，美国IBM公司就在全世界最早尝试这种连续法工艺。后来欧洲有几家基板材料生产厂也试做过。近几年，随着对PCBZ0精度控制要求的呼声谱高。为了有效地解决此课题，这种连续工艺法在制造FR-4薄型方面得到成功的开发，并逐步走向大规模工业化生产。目前在日本，继松下电工公司在1998年间率先在日本实现FR-4板连续化生产之后，日立化成工业公司、住友电木公司等也随即开发成功，并实现了工业化生产。另在德国科隆Dielektra公司，美国GIL Glasteel Industrial Lamima 公司等也在近年生产出采用边连续层压工艺制造的覆铜箔板。
（２） 连续法对板厚精度的贡献
决定基板板的厚精度，对成型加工条件来说，主要影响因素表现在两个重要方面，即压制温度和压制压力。传统的多段层压方式，是将数张半固化片与铜箔叠全好的坯料，放置在两块加热板间进行多块的压制成型。由于放置位置的不同，会造成靠加热原（即加热板）距离上的不同。各块不同位置的板，在接受温度传递的速度、高低方面，都有较大的差异。另外，在同一块被压制成型的板，中央部位和端部位（边、角部）。温度、压力也存在着差异。这也引起板的坯料在压制初期树脂流出量有所不同（边角部位多、芯部位少）。这些都在成型加工中造成极的厚度上的分散性加大。
从传统流间断式CCL加工中，半固化片加工过程（浸渍、干燥）上看，也由于设备、工艺条件误差的影响，也会造成成型板在厚度控制精度方面的差异。
连续法是CCL制造工艺上的一次革命。它创造性地显着克服了由于传统的间断法生产方式，给CCL所带来的板厚精度难严格控制的问题。其板的厚度精度比传统的间断法所生产的FR-4板提高了2倍以上。这是因为在解决此课题上，以松下电工的连续法为例，连续法起码具备了经下几点优势：①增强材料经浸渍上树脂（或涂复树脂）后，直接地进入高压力的辊压加工。树脂基本上不经过“半固化”（即B阶段树脂结构）的状态阶段。这种加工，是在浸渍材料处于“半干态”下进行的。它十分有利于对固化成型基材绝缘层厚度精度的程高。②上述树脂涂布浸胶的辊压加工，带有计算机的自动化连续监控装置，一旦出现浸渍纤维材料的厚度偏差大的问题，就可以及时进行工艺条件上的反馈处理。直至调整以所要达到的工艺设定值内。③覆铜箔板的成型是在固化炉中连续进行的。在严格工艺参数管理、控制之下，完全可以达到整体板、板与体间的厚度均匀一致性。
另外，板厚精度由于采用连续法有所提高，间接地带来了整体板各点的介电常数值的致性提高，以及使导线宽度在PCB制作中提到提高。这些也无疑促进了PCB的Z0精度控制的提高。
松下电工公司所开发的连续化生产FR-4薄型基材，制作出的四层多层板在板厚精度、Z0精度方面都比一般FR-4基材有较大的提高（见图14所示）。
2.3降低板的介电常数
（１） 概述
覆铜箔板的介电常数（ε）的数值低以及数值的分散性小（指同一类或同一块板中）都有利于提高PCB的Z0精度。一般对CCL的ε高低的影响，来源于四个方面因素：半固化片树脂含量、增强材料种类、填充材料的种类、树脂的种类。四个影响因素及其各因素中常见用的材料种类列于图15中
（２） 树脂
CCL用的树脂肪的ε值，其高低主要受到树脂分子结构本身极化程度（polarization）大小而定。极化程度愈大，ε值愈高。因此，可以利用消除或降低树脂易极化结构，来实现有效降低CCL的ε值。
由含有较多的易极化结构的环氧树脂，作为主树脂构成的一般标准的FR-4基板材料，其介电常数（ε）在3.5~3.8（1 MH2下）。这种一般标准FR-4基板材料，对于未来提高Z0控制精度及在高频电路的PCB中作为基板材料，都是不适应的。而树脂结构中具有极化程度小的一些新型树脂制成的CCL，将会以低ε值等特性在10GH2以上的高频传输用PCB中，取代一般FR-4基板材料。这些低ε值的树脂目前主要有：聚酰亚胺树脂（PI）、氰酸酯类树脂（CE）、双马来酰亚胺三嗪树脂（BT）、聚苯醚树脂（PPE 或PPO）、聚四氯乙烯树脂（PTFE）等。
另外，有BT、PI、PPE、CE等树脂对环氧树脂（EP）改进，使EP在ε值方面得到降低——这也是一具重要的发展途径。例如，BT树脂在树脂极性基含量方面甚少，ε值为3.0。它与EP树脂混合使用，即降低了ε值和成本，又提高了其耐热性。再例如：CE树脂的ε为2.6，它还具有良好的耐热性。它可与EP树脂交联反应，改善EP树脂的介电性能及吸水性。PPE树脂目前已成为高频电路基板所采用的树脂主流。它由于 本身具有良好的电气特性，ε值低（约2.6），可将它改性为具有高热稳定性的热固性树脂（APPE）。如Asahi公司将PPE上的甲基接上Allylgroup或是在PPE末端基接上Maleic Anhydr以改善与EP树脂的相容性，形成IPN结构的热固性树脂。
开发低ε值的FR-4板，国外还有的使用低极性的交联剂形成一个低极性的高分子结构的FR-4基板材料产品（Allied Signal FR-408），就是一例。它的ε与一标准FR-4相比见图16所示。
利用以环氧树脂为主体的改性FR-4板，对其树脂在固化成型过程的有效控制，去降低ε值，——这种工艺改造路线在海外也有所报道。总体技术思路是：有效控制交联点，或是导入分子结构极必性小、体积大的原子团。
    （3）增强材料
日本日东纺织公司为了配合降低CCL的介电常数，曾开发出T型玻纤布和D型玻纤布。但制出的CCL尽管可以降低ε，但在PCB加工上仍存在着一些问题。在1998年~1999年间，该公司开发出NE型玻纤布。它具有明显的低ε特性，在1MHZ 该玻纤布比E型玻纤布ε降低了4.4。制成的FR-4板不但是低ε性，而且具有好的PCB加工性（见图17所示）（据悉，我国国内某研究院在低ε型CCL用玻纤布开发工作上，近期也获得可喜的较大进展）日本东芝化学公司等采用日东纺织公司的NE型玻璃纤维布，开发出低ε的FR-4，并开始在要求Z0控制高精度及高频电路的村板上得到广泛应用。该开发产品在ε方面与一般FR-4对比见图18所示。
图18 不同含胶量、不同玻璃纤维布的半固化法制成的FR - 4板ε值对比
为了达到CCL的低ε性，采用有机纤维做增强材料也日益被得重视和采用。其中以芳香族聚酰胺（Aramid）纤维无纺布在近年来表现得更突出。目前这种CCL用增强材料在世界上以杜邦（Du Pont）的“THERMOUNT(r)”，日本的“东レ—杜邦”公司的“KEVLAR (r)”产品为代表。其优点不仅是对CCL的低ε，低CTE作出贡献，而且表现出质地轻、并易于CO2激光钻孔。其它较特殊的低ε的纤维增强材料，还有PPG公司的Hybon TM等。