厚型氣體電子倍增器(Thick gaseous electron multiplier，THGEM/TGEM)在高能物理實(shí)驗(yàn)有廣泛應(yīng)用如X射線、帶電粒子及中子的探測(cè)和成像等領(lǐng)域。THGEM的制作通過(guò)印制電路的鉆孔、蝕刻和外形等工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)，并要求具有高耐壓、強(qiáng)電場(chǎng)、小孔間距和高孔位精度等特點(diǎn)。本文將根據(jù)THGEM的以上特點(diǎn)，分析其對(duì)PCB在材料選擇、設(shè)計(jì)和工藝制程等方面的特殊要求，并通過(guò)對(duì)比各條件的產(chǎn)品性能數(shù)據(jù)給出應(yīng)用于高性能THGEM制作的PCB解決方案。

1. 前言

1997年，歐洲核子中心(CERN)的物理學(xué)家Fabio Sauli發(fā)明了氣體電子倍增器（Gaseous electron multiplier, GEM）[1]，用于實(shí)現(xiàn)電子倍增，GEM探測(cè)器是微結(jié)構(gòu)氣體探測(cè)器研發(fā)比較成功的一種。GEM的微孔結(jié)構(gòu)在電勢(shì)差下能夠產(chǎn)生強(qiáng)大的電場(chǎng)，在充滿(mǎn)特殊工作氣體的環(huán)境下，若微孔周?chē)霈F(xiàn)電離電子，孔內(nèi)將發(fā)生電子雪崩倍增過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)物理過(guò)程的探測(cè)（圖1）。

圖1 GEM實(shí)現(xiàn)電子雪崩原理示意圖

早期設(shè)計(jì)的GEM膜，其典型的結(jié)構(gòu)參數(shù)為絕緣厚度50μm，孔徑70μm，孔間距140μm，銅厚3～5μm的聚酰亞胺雙面撓性板，采用的是化學(xué)掩膜腐蝕的工藝和方法制作而成的，其精度和成品率都很高，但成本也非常高。目前國(guó)際上只有歐洲核子研究組織(CERN)的工業(yè)控制和工程部（Industrial Controls & Engineering，EN-ICE），以及少數(shù)有專(zhuān)利授權(quán)的機(jī)構(gòu)能提供此類(lèi)GEM膜，如下圖2所示。

圖2 GEM的結(jié)構(gòu)和切片圖

為了降低傳統(tǒng)GEM膜對(duì)技術(shù)和設(shè)備的要求，2004年以色列的物理學(xué)家Amos Breskin提出了厚GEM（THGEM）的概念[2]，并利用工業(yè)PCB加工技術(shù)和設(shè)備制作了第一批厚GEM。所謂厚GEM，就是其結(jié)構(gòu)參數(shù)比傳統(tǒng)GEM要大5～20倍，這不僅對(duì)技術(shù)、精度和設(shè)備的要求大大降低，而且比傳統(tǒng)GEM更結(jié)實(shí)耐用，同時(shí)制作的成本和對(duì)環(huán)境的要求均大大降低。厚GEM在增益、能量分辨等方面不遜于傳統(tǒng)GEM，甚至更好，但相應(yīng)的代價(jià)則是位置分辨較低，其制作的成品率和性能穩(wěn)定性比傳統(tǒng)GEM也差一些。但是厚GEM的成本低、結(jié)實(shí)耐用、增益高等突出特點(diǎn)在許多位置分辨要求不高的應(yīng)用中，成為了顯著的優(yōu)點(diǎn)，因此在國(guó)際國(guó)內(nèi)均得到了長(zhǎng)足的研究和發(fā)展。目前國(guó)外可以制作厚GEM的有歐洲核子中心(CERN)、意大利、以色列、美國(guó)、日本和韓國(guó)等國(guó)家，而國(guó)內(nèi)可以從歐洲核子中心(CERN)的EN-ICE購(gòu)買(mǎi)傳統(tǒng)GEM和厚GEM。

圖3 傳統(tǒng)GEM和厚GEM的結(jié)構(gòu)參數(shù)、性能指標(biāo)和工藝特點(diǎn)對(duì)比

國(guó)內(nèi)厚GEM的研究大致開(kāi)始于2006年，由于起步較晚，在厚GEM制作的技術(shù)成熟度和產(chǎn)品質(zhì)量都較落后于國(guó)外厚GEM廠商。但是自2010年起，國(guó)內(nèi)推進(jìn)了產(chǎn)學(xué)研結(jié)合研究開(kāi)發(fā)，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所與惠州市金百澤電路科技有限公司聯(lián)合研發(fā)了厚GEM的制作工藝，首次實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化和工業(yè)化制作，并對(duì)厚GEM工藝和基材展開(kāi)了廣泛深入的研究[3][4]。

2.THGEM的特性分析

良好的THGEM需要具備以下基本特點(diǎn)：

(1) 強(qiáng)電場(chǎng)——能在高電壓的施加下產(chǎn)生極強(qiáng)的電場(chǎng)，從而使帶電粒子獲得極高的能量增益；

(2) 高密度——在固定孔徑和中心間距比的情況下，孔徑和孔間距越小越好，可提高位置分辨率；

(3) 高耐壓——不產(chǎn)生電擊穿或打火現(xiàn)象，能在較高電壓（對(duì)應(yīng)較高增益）下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。

2.1 THGEM的強(qiáng)電場(chǎng)特性

THGEM的電場(chǎng)來(lái)源于頂層和底層銅面之間的電勢(shì)差，其電場(chǎng)強(qiáng)度由THGEM的施加電壓、孔徑、絕緣環(huán)尺寸和板厚共同決定，其通孔周?chē)妶?chǎng)分布示意圖如下圖4所示[5]。圖中越密集的部位，其電場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)，孔中央的電場(chǎng)強(qiáng)度最大。

圖4 THGEM通孔周?chē)妶?chǎng)分布示意圖

這種結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)往往伴隨著以下特性：

(1) 在結(jié)構(gòu)不變的情況下，施加的電壓越高，電場(chǎng)越強(qiáng)。

(2) 在同樣的電壓下，通孔孔徑越小，孔中心電場(chǎng)越強(qiáng)。

(3) 在同樣的電壓下，介質(zhì)層越薄，孔中心電場(chǎng)越強(qiáng)。

(4) 在同樣的電壓下，絕緣環(huán)尺寸越小，孔中心電場(chǎng)越強(qiáng)。

進(jìn)一步地說(shuō)，若要得到強(qiáng)電場(chǎng)的THGEM，其制作目標(biāo)將是超薄、微孔、小絕緣環(huán)的雙面板。當(dāng)然，單單只考慮強(qiáng)電場(chǎng)的要求也是片面的，還需要綜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，能夠?yàn)榱Ｗ犹綔y(cè)提供足夠的位置分辨率進(jìn)行粒子軌跡重建和成像。當(dāng)通孔間距很大的時(shí)候，粒子探測(cè)的軌跡細(xì)節(jié)表現(xiàn)不夠充分，用于成像檢測(cè)只能得到十分模糊的畫(huà)面；當(dāng)通孔間距非常細(xì)微時(shí)，粒子探測(cè)的軌跡細(xì)節(jié)更豐富了，而且成像檢測(cè)能得到十分清晰的圖像，如下圖5和圖6所示。通常以200um和100um為分界線，>=200um為普通分辨，<100<200um為較好分辨，<=100um為高分辨。

圖5 粒子軌跡探測(cè)示意圖

圖6 夾縫的粒子成像

然而高密度的通孔分布會(huì)導(dǎo)致另外一個(gè)問(wèn)題，那就是通孔分布過(guò)密將使通孔加工的孔位精度極限不斷攀升。如下表1所示[6]，可知過(guò)高的孔分布密度必然需要更高的加工定位精度，如圖7所示為設(shè)備加工精度不夠?qū)е碌目孜黄疲@樣的情況往往會(huì)導(dǎo)致電場(chǎng)強(qiáng)度分布不均勻，從而影響粒子獲得增益的效果。

表1 孔位精度要求與通孔密集程度的關(guān)系

圖7 孔位精度無(wú)法滿(mǎn)足通孔高密度分布

2.3 THGEM的高耐壓特性

由于THGEM孔內(nèi)需要形成很強(qiáng)的電場(chǎng)，強(qiáng)電場(chǎng)往往需要很高的工作電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，通常逼近其短路極限，這樣容易面臨打火或電擊穿的情況。如下圖8所示，THGEM在不同的混合氣體下工作，工作電壓越高，其粒子獲得的增益越大，效果越好。圖9展示了THGEM在長(zhǎng)達(dá)100小時(shí)連續(xù)工作中的粒子增益情況，一直維持在較高的增益水平，未出現(xiàn)明顯波動(dòng)。可知高能粒子測(cè)試中對(duì)THGEM的耐壓性要求極高，若THGEM耐壓較差，將嚴(yán)重影響其性能和實(shí)際應(yīng)用。

圖8 THGEM工作電壓與增益的關(guān)系

圖9 THGEM的增益穩(wěn)定性測(cè)試

3.THGEM的PCB設(shè)計(jì)

3.1 板材選擇

3.1.1 介電強(qiáng)度(dielectric Breakdown)

THGEM耐高壓失效的表現(xiàn)之一就是電擊穿，對(duì)于在高電壓下工作的THGEM，其電擊穿的可能性有兩種形式，一種是介質(zhì)的固體電擊穿，另一種則是通孔內(nèi)工作氣體的氣體電擊穿。

由于THGEM必須工作在某種特定參數(shù)的氣體中，故不考慮改變氣體的介電強(qiáng)度，但對(duì)固體的介電強(qiáng)度的要求則是必須比氣體的介電強(qiáng)度要大，才能確保THGEM能在介電強(qiáng)度最高的條件下正常工作。

表2 一些材料的介電性能(1atm環(huán)境)

上表中左半部分為一些氣體材料相對(duì)介電強(qiáng)度，包括用于電子倍增環(huán)境的二氧化碳，還有用于輸電設(shè)備大型斷路器的高介電強(qiáng)度氣體六氟化硫。將上表右半部分的常見(jiàn)固體材料與氣體材料對(duì)比，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓環(huán)境下，顯然常見(jiàn)固體的介電強(qiáng)度往往是大于氣體的，其中PTFE、FR-4和PI是PCB的常用材料，這表明了PCB板材料通常都不會(huì)比氣體更早被擊穿。再?gòu)牟牧铣杀究紤]，顯然用FR-4和PI材料制作THGEM是比較經(jīng)濟(jì)合適的。

3.1.2 銅箔選擇

在勻強(qiáng)電場(chǎng)的結(jié)構(gòu)中，電介質(zhì)的擊穿電壓存在著隨電極面積增大而降低的情況，這往往是由于電介質(zhì)的材料存在雜質(zhì)或缺陷，又或者電極表面粗糙，從而導(dǎo)致局部電場(chǎng)有一定概率增強(qiáng)，使擊穿電壓下降。一旦電極的面積增加，其出現(xiàn)局部電場(chǎng)不均勻的概率也會(huì)增大。

而THGEM正是大面積的勻強(qiáng)電場(chǎng)結(jié)構(gòu)，作為電極的銅層，往往有著很多細(xì)小而粗糙的銅牙（圖10），這將非常不利面積超大的THGEM制作，因此THGEM的制板材料以VLP(超低輪廓)銅箔覆銅板最佳（圖11）。此外由于VLP銅箔的表面粗糙度低，在蝕刻時(shí)可以較為徹底地去除基材表面的銅層，而且還能得到十分平滑的銅層邊緣，非常利于制作出光滑的絕緣環(huán)。

圖10 銅牙深入樹(shù)脂基材

圖11 低表面粗糙度的VLP銅箔

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 通孔

對(duì)于通孔的加工，這里給出THGEM常用的三種加工方式。第一種方式是基材蝕刻[7]，這是傳統(tǒng)GEM的通孔加工方式，可以加工出最窄為50μm的通孔。第二種是機(jī)械鉆孔，通常最小加工孔徑為150mm。第三種是激光鉆孔，通常最小加工孔徑為100mm。下表3為三種通孔加工方式的對(duì)比，可以明顯看出其優(yōu)劣。

表3 三種不同的GEM通孔加工方式對(duì)比

顯然采用激光鉆孔的方式加工通孔既可廣泛適用多種板材，又具備較高的通孔加工效率和孔位精度，而且相對(duì)成本也較低，應(yīng)用于THGEM的通孔加工十分理想。并且前面已經(jīng)分析過(guò)，越小的孔徑能使整板通孔的分布更密集，同時(shí)也能使孔內(nèi)的電場(chǎng)越強(qiáng)。因此要得到性能較好的THGEM，其通孔孔徑設(shè)計(jì)約100～200μm也是較優(yōu)的方案，并且通常板厚與孔徑應(yīng)當(dāng)近似保持1:1關(guān)系對(duì)增益和能量分辨均較優(yōu)。

3.2.1 絕緣環(huán)與孔間距

對(duì)于完成通孔制作的雙面板，在施加高電壓后也能產(chǎn)生電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)THGEM的功能，那么絕緣環(huán)存在的意義在哪？實(shí)際上，這里涉及到THGEM耐高壓失效的另一種情況——爬電效應(yīng)。

即便對(duì)THGEM處理得再干凈，其通孔孔壁表面多多少少會(huì)存在一些灰塵，而且孔壁并非完全光滑，因此孔壁表面在不斷的反復(fù)放電過(guò)程中會(huì)引起表面碳化，最終使絕緣失效，如圖12所示。

圖12 絕緣失效過(guò)程示意圖

盡管我們不能完全杜絕這樣的情況發(fā)生，但可以引入電氣領(lǐng)域?qū)ε离娦?yīng)的處理方式——提升爬電距離，而絕緣環(huán)的設(shè)計(jì)正好就是通過(guò)增加爬電距離來(lái)達(dá)到縮減爬電效應(yīng)的目的。顯然在固定的孔徑下，絕緣環(huán)尺寸越大，越能有效避免爬電效應(yīng)的發(fā)生，如下圖13所示。

圖13 無(wú)絕緣環(huán)爬電距離A < 有絕緣環(huán)爬電距離B+C+D

然而絕緣環(huán)的尺寸并非越大越好，當(dāng)絕緣環(huán)尺寸越大，孔中心的電場(chǎng)強(qiáng)度就會(huì)越小，于是再通過(guò)提升電壓的方式增強(qiáng)孔中心的電場(chǎng)強(qiáng)度反而會(huì)提升擊穿或爬電的概率，不利于THGEM的工作穩(wěn)定性。由于電場(chǎng)是由THGEM表面銅層形成的，孔與孔之間的最小金屬間距也需要考慮，再加上孔間距也要求盡可能地小，這同樣決定了絕緣環(huán)不應(yīng)該過(guò)分?jǐn)U大。

如圖14所示為55μm孔徑的無(wú)絕緣環(huán)THGEM的電場(chǎng)線分布仿真圖[8]，可以看到使帶電粒子在孔內(nèi)繼續(xù)獲得電場(chǎng)加速的電場(chǎng)線邊緣距基材邊緣為12μm。這意味著在這種直立通孔的結(jié)構(gòu)下，通過(guò)較小電壓獲得完整帶電粒子加速的THGEM的絕緣環(huán)寬度設(shè)為12μm最為理想。此外還可以看到金屬環(huán)對(duì)孔內(nèi)電場(chǎng)有作用的范圍僅距離邊緣14μm，即理論上孔與孔之間的金屬環(huán)至少要滿(mǎn)足28μm才能使孔內(nèi)容納絕大部分的電場(chǎng)。而最終能收束到孔內(nèi)的電場(chǎng)線距離銅層邊緣只有27μm，理論上在這個(gè)范圍之內(nèi)的帶電粒子都能通過(guò)孔內(nèi)的電場(chǎng)加速。

圖14 THGEM電場(chǎng)線仿真圖

圖15 100μm孔徑的理想THGEM設(shè)計(jì)

借鑒上述對(duì)邊緣電場(chǎng)強(qiáng)度分析，同時(shí)忽略環(huán)狀金屬電場(chǎng)對(duì)邊緣電場(chǎng)可疊加性影響，將以上理論分析套用在孔徑為100μm的THGEM設(shè)計(jì)。則絕緣環(huán)寬度設(shè)計(jì)為12μm，沿金屬環(huán)邊緣的電場(chǎng)收束寬度設(shè)計(jì)為27μm；同時(shí)為了能使整個(gè)THGEM板面的帶電粒子都能得到加速，可以通過(guò)用正六邊形輔助計(jì)算出孔與孔之間的金屬寬度應(yīng)為30μm，剛好滿(mǎn)足28μm的金屬邊緣對(duì)孔內(nèi)電場(chǎng)的作用范圍設(shè)計(jì)，于是可得如圖15所示的理想THGEM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4.THGEM產(chǎn)品的制程與性能對(duì)比

4.1 制程分析

THGEM的實(shí)質(zhì)是雙面板，由于THGEM無(wú)需上下層導(dǎo)通，因此無(wú)需進(jìn)行孔金屬化，而且無(wú)需進(jìn)行阻焊印刷和字符噴印，聽(tīng)起來(lái)似乎只是做下線路鉆個(gè)孔就能簡(jiǎn)單完成的PCB，然而一旦了解其加工參數(shù)后就能明白它的不凡之處。

盡管THGEM的重點(diǎn)在于通孔和線路加工，但對(duì)這兩個(gè)工序卻有著極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蝕刻，還有機(jī)械鉆孔制程和激光鉆孔制程。這兩種制程的在通孔和線路加工方面的優(yōu)劣對(duì)比如表4所示。

表4 機(jī)械鉆孔制程與激光鉆孔制程的優(yōu)劣

從上表4可以看出，機(jī)械鉆孔制程更適合小面積、孔密集度不高的THGEM加工，以此可加工出品質(zhì)極佳THGEM產(chǎn)品。而激光鉆孔制程主要應(yīng)用于高密集的大面積THGEM加工，盡管品質(zhì)比機(jī)械鉆孔制程的稍差，但憑借其極高的產(chǎn)品分辨率和極快的通孔加工速度，能拯救機(jī)械鉆機(jī)于產(chǎn)能癱瘓的危難之中。圖16為板厚1mm、孔徑0.5mm、絕緣環(huán)尺寸100μm、孔中心間距0.8mm、整板尺寸500mm*500mm，通孔數(shù)量高達(dá)43萬(wàn)的機(jī)械鉆孔制程THGEM板！ 而圖17為板厚0.1mm、孔徑0.1mm、絕緣環(huán)尺寸20μm、孔中心間距0.3mm、整板尺寸530mm*530mm、通孔數(shù)量更是高達(dá)320萬(wàn)的激光鉆孔制程THGEM板！

圖16 5002mm2級(jí)機(jī)械鉆孔制程THGEM

圖17 5002mm2級(jí)激光鉆孔制程THGEM

4.2 性能對(duì)比

完成THGEM產(chǎn)品的制作后，用于衡量其性能的最重要的一個(gè)指標(biāo)便是帶電工作下的增益量。前文已述絕緣環(huán)尺寸是影響增益和工作電壓的關(guān)鍵因素，如圖18所示為同樣板厚下，三種不同絕緣環(huán)尺寸THGEM在氬氣和二氧化碳混合氣體中的耐電壓和增益表現(xiàn)。

圖18 三種不同絕緣環(huán)寬度的的增益效果對(duì)比

圖18中的絕緣環(huán)寬度為0μm的曲線，盡管可以在很低的電壓下獲得增益，但電壓提升區(qū)間很小，增益還沒(méi)到接近極限值THGEM就已經(jīng)發(fā)生打火，不能正常工作。而具有絕緣環(huán)寬度為20μm和70μm的曲線，都能接近增益極限值，而且絕緣環(huán)越小，獲得增益的起始工作電壓也越小。這也表明隨著絕緣環(huán)的增大，THGEM的耐壓性將得到提升，而增益也相對(duì)提升了。但由于結(jié)構(gòu)限制，增益存在一定極限，當(dāng)電壓足夠高時(shí)，施加的電壓再高也無(wú)法顯著提升增益。因此絕緣環(huán)的存在是必要的，而且其環(huán)寬應(yīng)在適當(dāng)?shù)姆秶拍艹浞职l(fā)揮THGEM強(qiáng)電場(chǎng)高增益的性能。

5.總結(jié)

THGEM產(chǎn)品的主體盡管是PCB，卻表現(xiàn)出與常規(guī)PCB不一樣的應(yīng)用特性。相比常規(guī)PCB運(yùn)用其線路布局方案實(shí)現(xiàn)電路科學(xué)領(lǐng)域的電能電信號(hào)輸送，THGEM則是充分利用了PCB的物理結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了高能物理領(lǐng)域的電子倍增功能。同樣的材料和結(jié)構(gòu)，通過(guò)運(yùn)用不同的原理使產(chǎn)品功能具有極大的差異化，這不禁讓人思考未來(lái)PCB的發(fā)展還具有多少種可能性，也許這就是學(xué)科交叉融合給予我們的又一次深刻啟示。

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