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原创 技术分享:应用于厚型气体电子倍增器的高耐压PCB研究

2019-6-6 09:16 103 1 1 分类: 通信 文集: 技术分享

厚型气体电子倍增器(Thick gaseous electron multiplier,THGEM/TGEM)在高能物理实验有广泛应用如X射线、带电粒子及中子的探测和成像等领域。THGEM的制作通过印制电路的钻孔、蚀刻和外形等工艺来实现,并要求具有高耐压、强电场、小孔间距和高孔位精度等特点。本文将根据THGEM的以上特点,分析其对PCB在材料选择、设计和工艺制程等方面的特殊要求,并通过对比各条件的产品性能数据给出应用于高性能THGEM制作的PCB解决方案。

1. 前言

1997年,欧洲核子中心(CERN)的物理学家Fabio Sauli发明了气体电子倍增器(Gaseous electron multiplier, GEM)[1],用于实现电子倍增,GEM探测器是微结构气体探测器研发比较成功的一种。GEM的微孔结构在电势差下能够产生强大的电场,在充满特殊工作气体的环境下,若微孔周围出现电离电子,孔内将发生电子雪崩倍增过程,从而实现信号的放大,进而实现对物理过程的探测(图1)。

图1 GEM实现电子雪崩原理示意图

早期设计的GEM膜,其典型的结构参数为绝缘厚度50μm,孔径70μm,孔间距140μm,铜厚3~5μm的聚酰亚胺双面挠性板,采用的是化学掩膜腐蚀的工艺和方法制作而成的,其精度和成品率都很高,但成本也非常高。目前国际上只有欧洲核子研究组织(CERN)的工业控制和工程部(Industrial Controls & Engineering,EN-ICE),以及少数有专利授权的机构能提供此类GEM膜,如下图2所示。

图2 GEM的结构和切片图

为了降低传统GEM膜对技术和设备的要求,2004年以色列的物理学家Amos Breskin提出了厚GEM(THGEM)的概念[2],并利用工业PCB加工技术和设备制作了第一批厚GEM。所谓厚GEM,就是其结构参数比传统GEM要大5~20倍,这不仅对技术、精度和设备的要求大大降低,而且比传统GEM更结实耐用,同时制作的成本和对环境的要求均大大降低。厚GEM在增益、能量分辨等方面不逊于传统GEM,甚至更好,但相应的代价则是位置分辨较低,其制作的成品率和性能稳定性比传统GEM也差一些。但是厚GEM的成本低、结实耐用、增益高等突出特点在许多位置分辨要求不高的应用中,成为了显著的优点,因此在国际国内均得到了长足的研究和发展。目前国外可以制作厚GEM的有欧洲核子中心(CERN)、意大利、以色列、美国、日本和韩国等国家,而国内可以从欧洲核子中心(CERN)的EN-ICE购买传统GEM和厚GEM。

图3 传统GEM和厚GEM的结构参数、性能指标和工艺特点对比

国内厚GEM的研究大致开始于2006年,由于起步较晚,在厚GEM制作的技术成熟度和产品质量都较落后于国外厚GEM厂商。但是自2010年起,国内推进了产学研结合研究开发,中国科学院高能物理研究所与惠州市金百泽电路科技有限公司联合研发了厚GEM的制作工艺,首次实现了国产化和工业化制作,并对厚GEM工艺和基材展开了广泛深入的研究[3][4]。

2.THGEM的特性分析

良好的THGEM需要具备以下基本特点:

(1) 强电场——能在高电压的施加下产生极强的电场,从而使带电粒子获得极高的能量增益;

(2) 高密度——在固定孔径和中心间距比的情况下,孔径和孔间距越小越好,可提高位置分辨率;

(3) 高耐压——不产生电击穿或打火现象,能在较高电压(对应较高增益)下长时间稳定工作。

2.1 THGEM的强电场特性

THGEM的电场来源于顶层和底层铜面之间的电势差,其电场强度由THGEM的施加电压、孔径、绝缘环尺寸和板厚共同决定,其通孔周围电场分布示意图如下图4所示[5]。图中越密集的部位,其电场强度越强,孔中央的电场强度最大。

图4 THGEM通孔周围电场分布示意图

这种结构的电场往往伴随着以下特性:

(1) 在结构不变的情况下,施加的电压越高,电场越强。

(2) 在同样的电压下,通孔孔径越小,孔中心电场越强。

(3) 在同样的电压下,介质层越薄,孔中心电场越强。

(4) 在同样的电压下,绝缘环尺寸越小,孔中心电场越强。

进一步地说,若要得到强电场的THGEM,其制作目标将是超薄、微孔、小绝缘环的双面板。当然,单单只考虑强电场的要求也是片面的,还需要综合以下各方面的要求。

2.2 THGEM的高密度特性

制作高密度通孔分布的THGEM,能够为粒子探测提供足够的位置分辨率进行粒子轨迹重建和成像。当通孔间距很大的时候,粒子探测的轨迹细节表现不够充分,用于成像检测只能得到十分模糊的画面;当通孔间距非常细微时,粒子探测的轨迹细节更丰富了,而且成像检测能得到十分清晰的图像,如下图5和图6所示。通常以200um和100um为分界线,>=200um为普通分辨,<100<200um为较好分辨,<=100um为高分辨。

图5 粒子轨迹探测示意图

图6 夹缝的粒子成像

然而高密度的通孔分布会导致另外一个问题,那就是通孔分布过密将使通孔加工的孔位精度极限不断攀升。如下表1所示[6],可知过高的孔分布密度必然需要更高的加工定位精度,如图7所示为设备加工精度不够导致的孔位偏移,这样的情况往往会导致电场强度分布不均匀,从而影响粒子获得增益的效果。

表1 孔位精度要求与通孔密集程度的关系

图7 孔位精度无法满足通孔高密度分布

2.3 THGEM的高耐压特性

由于THGEM孔内需要形成很强的电场,强电场往往需要很高的工作电压来实现,通常逼近其短路极限,这样容易面临打火或电击穿的情况。如下图8所示,THGEM在不同的混合气体下工作,工作电压越高,其粒子获得的增益越大,效果越好。图9展示了THGEM在长达100小时连续工作中的粒子增益情况,一直维持在较高的增益水平,未出现明显波动。可知高能粒子测试中对THGEM的耐压性要求极高,若THGEM耐压较差,将严重影响其性能和实际应用。

图8 THGEM工作电压与增益的关系

图9 THGEM的增益稳定性测试

3.THGEM的PCB设计

3.1 板材选择

3.1.1 介电强度(dielectric Breakdown)

THGEM耐高压失效的表现之一就是电击穿,对于在高电压下工作的THGEM,其电击穿的可能性有两种形式,一种是介质的固体电击穿,另一种则是通孔内工作气体的气体电击穿。

由于THGEM必须工作在某种特定参数的气体中,故不考虑改变气体的介电强度,但对固体的介电强度的要求则是必须比气体的介电强度要大,才能确保THGEM能在介电强度最高的条件下正常工作。

表2 一些材料的介电性能(1atm环境)

上表中左半部分为一些气体材料相对介电强度,包括用于电子倍增环境的二氧化碳,还有用于输电设备大型断路器的高介电强度气体六氟化硫。将上表右半部分的常见固体材料与气体材料对比,在标准大气压环境下,显然常见固体的介电强度往往是大于气体的,其中PTFE、FR-4和PI是PCB的常用材料,这表明了PCB板材料通常都不会比气体更早被击穿。再从材料成本考虑,显然用FR-4和PI材料制作THGEM是比较经济合适的。

3.1.2 铜箔选择

在匀强电场的结构中,电介质的击穿电压存在着随电极面积增大而降低的情况,这往往是由于电介质的材料存在杂质或缺陷,又或者电极表面粗糙,从而导致局部电场有一定概率增强,使击穿电压下降。一旦电极的面积增加,其出现局部电场不均匀的概率也会增大。

而THGEM正是大面积的匀强电场结构,作为电极的铜层,往往有着很多细小而粗糙的铜牙(图10),这将非常不利面积超大的THGEM制作,因此THGEM的制板材料以VLP(超低轮廓)铜箔覆铜板最佳(图11)。此外由于VLP铜箔的表面粗糙度低,在蚀刻时可以较为彻底地去除基材表面的铜层,而且还能得到十分平滑的铜层边缘,非常利于制作出光滑的绝缘环。

图10 铜牙深入树脂基材

图11 低表面粗糙度的VLP铜箔

3.2 结构设计

3.2.1 通孔

对于通孔的加工,这里给出THGEM常用的三种加工方式。第一种方式是基材蚀刻[7],这是传统GEM的通孔加工方式,可以加工出最窄为50μm的通孔。第二种是机械钻孔,通常最小加工孔径为150mm。第三种是激光钻孔,通常最小加工孔径为100mm。下表3为三种通孔加工方式的对比,可以明显看出其优劣。

表3 三种不同的GEM通孔加工方式对比

显然采用激光钻孔的方式加工通孔既可广泛适用多种板材,又具备较高的通孔加工效率和孔位精度,而且相对成本也较低,应用于THGEM的通孔加工十分理想。并且前面已经分析过,越小的孔径能使整板通孔的分布更密集,同时也能使孔内的电场越强。因此要得到性能较好的THGEM,其通孔孔径设计约100~200μm也是较优的方案,并且通常板厚与孔径应当近似保持1:1关系对增益和能量分辨均较优。

3.2.1 绝缘环与孔间距

对于完成通孔制作的双面板,在施加高电压后也能产生电场实现THGEM的功能,那么绝缘环存在的意义在哪?实际上,这里涉及到THGEM耐高压失效的另一种情况——爬电效应。

即便对THGEM处理得再干净,其通孔孔壁表面多多少少会存在一些灰尘,而且孔壁并非完全光滑,因此孔壁表面在不断的反复放电过程中会引起表面碳化,最终使绝缘失效,如图12所示。

图12 绝缘失效过程示意图

尽管我们不能完全杜绝这样的情况发生,但可以引入电气领域对爬电效应的处理方式——提升爬电距离,而绝缘环的设计正好就是通过增加爬电距离来达到缩减爬电效应的目的。显然在固定的孔径下,绝缘环尺寸越大,越能有效避免爬电效应的发生,如下图13所示。

图13 无绝缘环爬电距离A < 有绝缘环爬电距离B+C+D

然而绝缘环的尺寸并非越大越好,当绝缘环尺寸越大,孔中心的电场强度就会越小,于是再通过提升电压的方式增强孔中心的电场强度反而会提升击穿或爬电的概率,不利于THGEM的工作稳定性。由于电场是由THGEM表面铜层形成的,孔与孔之间的最小金属间距也需要考虑,再加上孔间距也要求尽可能地小,这同样决定了绝缘环不应该过分扩大。

如图14所示为55μm孔径的无绝缘环THGEM的电场线分布仿真图[8],可以看到使带电粒子在孔内继续获得电场加速的电场线边缘距基材边缘为12μm。这意味着在这种直立通孔的结构下,通过较小电压获得完整带电粒子加速的THGEM的绝缘环宽度设为12μm最为理想。此外还可以看到金属环对孔内电场有作用的范围仅距离边缘14μm,即理论上孔与孔之间的金属环至少要满足28μm才能使孔内容纳绝大部分的电场。而最终能收束到孔内的电场线距离铜层边缘只有27μm,理论上在这个范围之内的带电粒子都能通过孔内的电场加速。

图14 THGEM电场线仿真图

图15 100μm孔径的理想THGEM设计

借鉴上述对边缘电场强度分析,同时忽略环状金属电场对边缘电场可叠加性影响,将以上理论分析套用在孔径为100μm的THGEM设计。则绝缘环宽度设计为12μm,沿金属环边缘的电场收束宽度设计为27μm;同时为了能使整个THGEM板面的带电粒子都能得到加速,可以通过用正六边形辅助计算出孔与孔之间的金属宽度应为30μm,刚好满足28μm的金属边缘对孔内电场的作用范围设计,于是可得如图15所示的理想THGEM结构设计。

4.THGEM产品的制程与性能对比

4.1 制程分析

THGEM的实质是双面板,由于THGEM无需上下层导通,因此无需进行孔金属化,而且无需进行阻焊印刷和字符喷印,听起来似乎只是做下线路钻个孔就能简单完成的PCB,然而一旦了解其加工参数后就能明白它的不凡之处。

尽管THGEM的重点在于通孔和线路加工,但对这两个工序却有着极高的精度要求和制程能力控制要求。上文已述THGEM的加工方式除了基材蚀刻,还有机械钻孔制程和激光钻孔制程。这两种制程的在通孔和线路加工方面的优劣对比如表4所示。

表4 机械钻孔制程与激光钻孔制程的优劣

从上表4可以看出,机械钻孔制程更适合小面积、孔密集度不高的THGEM加工,以此可加工出品质极佳THGEM产品。而激光钻孔制程主要应用于高密集的大面积THGEM加工,尽管品质比机械钻孔制程的稍差,但凭借其极高的产品分辨率和极快的通孔加工速度,能拯救机械钻机于产能瘫痪的危难之中。图16为板厚1mm、孔径0.5mm、绝缘环尺寸100μm、孔中心间距0.8mm、整板尺寸500mm*500mm,通孔数量高达43万的机械钻孔制程THGEM板! 而图17为板厚0.1mm、孔径0.1mm、绝缘环尺寸20μm、孔中心间距0.3mm、整板尺寸530mm*530mm、通孔数量更是高达320万的激光钻孔制程THGEM板!

图16 500²mm²级机械钻孔制程THGEM

图17 500²mm²级激光钻孔制程THGEM

4.2 性能对比

完成THGEM产品的制作后,用于衡量其性能的最重要的一个指标便是带电工作下的增益量。前文已述绝缘环尺寸是影响增益和工作电压的关键因素,如图18所示为同样板厚下,三种不同绝缘环尺寸THGEM在氩气和二氧化碳混合气体中的耐电压和增益表现。

图18 三种不同绝缘环宽度的的增益效果对比

图18中的绝缘环宽度为0μm的曲线,尽管可以在很低的电压下获得增益,但电压提升区间很小,增益还没到接近极限值THGEM就已经发生打火,不能正常工作。而具有绝缘环宽度为20μm和70μm的曲线,都能接近增益极限值,而且绝缘环越小,获得增益的起始工作电压也越小。这也表明随着绝缘环的增大,THGEM的耐压性将得到提升,而增益也相对提升了。但由于结构限制,增益存在一定极限,当电压足够高时,施加的电压再高也无法显著提升增益。因此绝缘环的存在是必要的,而且其环宽应在适当的范围,才能充分发挥THGEM强电场高增益的性能。

5.总结

THGEM产品的主体尽管是PCB,却表现出与常规PCB不一样的应用特性。相比常规PCB运用其线路布局方案实现电路科学领域的电能电信号输送,THGEM则是充分利用了PCB的物理结构实现了高能物理领域的电子倍增功能。同样的材料和结构,通过运用不同的原理使产品功能具有极大的差异化,这不禁让人思考未来PCB的发展还具有多少种可能性,也许这就是学科交叉融合给予我们的又一次深刻启示。

参考文献

[1] F. Sauli, “GEM: A new concept for electron amplification in gas detectors”, Nucl. Inst. & Meth. A, vol.

386, issues 2–3, 21/2/1997, pp. 531–534.

[2] R. Chechik, A. Breskin, C. Shalem et al. Nucl. Instrμm. Methods A, 2004, 535: 303-308

[3] Yuguang Xie et al., “Development of Au‐coated THGEM for Single Photon, Charged Particle, and Neutron Detection”, NIMA 729 (2013) 809–815

[4] X. Zhang, S. Niu, Y. Xie* et.al., “Study of new substrate based THGEMs with low neutron scattering and low radioactivity”, 2015 JINST 10 P10043

[5] 朱鹏飞, 叶雁, 钟杰, 朱巍. GEM气体探测器研究概述[J]. 高能量密度物理, 2010, 3~4.

[6] 唐宏华, 石学兵, 陈春, 陈裕韬. 一种超高精度同心环PCB的制作工艺探讨[J]. 印制电路信息, 2013, 248.

[7] S. Duarte Pinto et al., A large area GEM detector. IEEE-NSS 2008 conference record, pp. 1426–1432.

[8] M. Villa et al., Progress on large area GEMs. Journal of Instrumentation, 2011, 628(1):182-186

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