厚型氣體電子倍增器(Thick gaseous electron multiplier，THGEM/TGEM)在高能物理實驗有廣泛應(yīng)用如X射線、帶電粒子及中子的探測和成像等領(lǐng)域。THGEM的制作通過印制電路的鉆孔、蝕刻和外形等工藝來實現(xiàn)，并要求具有高耐壓、強電場、小孔間距和高孔位精度等特點。本文將根據(jù)THGEM的以上特點，分析其對PCB在材料選擇、設(shè)計和工藝制程等方面的特殊要求，并通過對比各條件的產(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]，用于實現(xiàn)電子倍增，GEM探測器是微結(jié)構(gòu)氣體探測器研發(fā)比較成功的一種。GEM的微孔結(jié)構(gòu)在電勢差下能夠產(chǎn)生強大的電場，在充滿特殊工作氣體的環(huán)境下，若微孔周圍出現(xiàn)電離電子，孔內(nèi)將發(fā)生電子雪崩倍增過程，從而實現(xiàn)信號的放大，進而實現(xiàn)對物理過程的探測（圖1）。

圖1 GEM實現(xiàn)電子雪崩原理示意圖

早期設(shè)計的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)有專利授權(quán)的機構(gòu)能提供此類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)實耐用，同時制作的成本和對環(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)實耐用、增益高等突出特點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，因此在國際國內(nèi)均得到了長足的研究和發(fā)展。目前國外可以制作厚GEM的有歐洲核子中心(CERN)、意大利、以色列、美國、日本和韓國等國家，而國內(nèi)可以從歐洲核子中心(CERN)的EN-ICE購買傳統(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)和工藝特點對比

國內(nèi)厚GEM的研究大致開始于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)量都較落后于國外厚GEM廠商。但是自2010年起，國內(nèi)推進了產(chǎn)學(xué)研結(jié)合研究開發(fā)，中國科學(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，首次實現(xiàn)了國產(chǎn)化和工業(yè)化制作，并對厚GEM工藝和基材展開了廣泛深入的研究[3][4]。

2.THGEM的特性分析

良好的THGEM需要具備以下基本特點：

(1) 強電場——能在高電壓的施加下產(chǎn)生極強的電場，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（對應(yīng)較高增益）下長時間穩(wěn)定工作。

2.1 THGEM的強電場特性

THGEM的電場來源于頂層和底層銅面之間的電勢差，其電場強度由THGEM的施加電壓、孔徑、絕緣環(huán)尺寸和板厚共同決定，其通孔周圍電場分布示意圖如下圖4所示[5]。圖中越密集的部位，其電場強度越強，孔中央的電場強度最大。

圖4 THGEM通孔周圍電場分布示意圖

這種結(jié)構(gòu)的電場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，電場越強。

(2) 在同樣的電壓下，通孔孔徑越小，孔中心電場越強。

(3) 在同樣的電壓下，介質(zhì)層越薄，孔中心電場越強。

(4) 在同樣的電壓下，絕緣環(huán)尺寸越小，孔中心電場越強。

進一步地說，若要得到強電場的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，單單只考慮強電場的要求也是片面的，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，能夠為粒子探測提供足夠的位置分辨率進行粒子軌跡重建和成像。當(dāng)通孔間距很大的時候，粒子探測的軌跡細節(jié)表現(xiàn)不夠充分，用于成像檢測只能得到十分模糊的畫面；當(dāng)通孔間距非常細微時，粒子探測的軌跡細節(jié)更豐富了，而且成像檢測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 粒子軌跡探測示意圖

圖6 夾縫的粒子成像

然而高密度的通孔分布會導(dǎo)致另外一個問題，那就是通孔分布過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@樣的情況往往會導(dǎo)致電場強度分布不均勻，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 孔位精度無法滿足通孔高密度分布

2.3 THGEM的高耐壓特性

由于THGEM孔內(nèi)需要形成很強的電場，強電場往往需要很高的工作電壓來實現(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在長達100小時連續(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。可知高能粒子測試中對THGEM的耐壓性要求極高，若THGEM耐壓較差，將嚴重影響其性能和實際應(yīng)用。

圖8 THGEM工作電壓與增益的關(guān)系

圖9 THGEM的增益穩(wěn)定性測試

3.THGEM的PCB設(shè)計

3.1 板材選擇

3.1.1 介電強度(dielectric Breakdown)

THGEM耐高壓失效的表現(xiàn)之一就是電擊穿，對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度，但對固體的介電強度的要求則是必須比氣體的介電強度要大，才能確保THGEM能在介電強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介電強度，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度氣體六氟化硫。將上表右半部分的常見固體材料與氣體材料對比，在標(biāo)準大氣壓環(huán)境下，顯然常見固體的介電強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板材料通常都不會比氣體更早被擊穿。再從材料成本考慮，顯然用FR-4和PI材料制作THGEM是比較經(jīng)濟合適的。

3.1.2 銅箔選擇

在勻強電場的結(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)致局部電場有一定概率增強，使擊穿電壓下降。一旦電極的面積增加，其出現(xiàn)局部電場不均勻的概率也會增大。

而THGEM正是大面積的勻強電場結(jié)構(gòu)，作為電極的銅層，往往有著很多細小而粗糙的銅牙（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 銅牙深入樹脂基材

圖11 低表面粗糙度的VLP銅箔

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.2.1 通孔

對于通孔的加工，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，越小的孔徑能使整板通孔的分布更密集，同時也能使孔內(nèi)的電場越強。因此要得到性能較好的THGEM，其通孔孔徑設(shè)計約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)系對增益和能量分辨均較優(yōu)。

3.2.1 絕緣環(huán)與孔間距

對于完成通孔制作的雙面板，在施加高電壓后也能產(chǎn)生電場實現(xiàn)THGEM的功能，那么絕緣環(huán)存在的意義在哪？實際上，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THGEM處理得再干凈，其通孔孔壁表面多多少少會存在一些灰塵，而且孔壁并非完全光滑，因此孔壁表面在不斷的反復(fù)放電過程中會引起表面碳化，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)計正好就是通過增加爬電距離來達到縮減爬電效應(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，孔中心的電場強度就會越小，于是再通過提升電壓的方式增強孔中心的電場強度反而會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)該過分擴大。

如圖14所示為55μm孔徑的無絕緣環(huán)THGEM的電場線分布仿真圖[8]，可以看到使帶電粒子在孔內(nèi)繼續(xù)獲得電場加速的電場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)對孔內(nèi)電場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)至少要滿足28μm才能使孔內(nèi)容納絕大部分的電場。而最終能收束到孔內(nèi)的電場線距離銅層邊緣只有27μm，理論上在這個范圍之內(nèi)的帶電粒子都能通過孔內(nèi)的電場加速。

圖14 THGEM電場線仿真圖

圖15 100μm孔徑的理想THGEM設(shè)計

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

4.THGEM產(chǎn)品的制程與性能對比

4.1 制程分析

THGEM的實質(zhì)是雙面板，由于THGEM無需上下層導(dǎo)通，因此無需進行孔金屬化，而且無需進行阻焊印刷和字符噴印，聽起來似乎只是做下線路鉆個孔就能簡單完成的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的重點在于通孔和線路加工，但對這兩個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)劣對比如表4所示。

表4 機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，能拯救機械鉆機于產(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43萬的機械鉆孔制程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320萬的激光鉆孔制程THGEM板！

圖16 5002mm2級機械鉆孔制程THGEM

圖17 5002mm2級激光鉆孔制程THGEM

4.2 性能對比

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，施加的電壓再高也無法顯著提升增益。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強電場高增益的性能。

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運用其線路布局方案實現(xiàn)電路科學(xué)領(lǐng)域的電能電信號輸送，THGEM則是充分利用了PCB的物理結(jié)構(gòu)實現(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)，通過運用不同的原理使產(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。

參考文獻

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