高速PCB損耗性能的影響分析

摘要：降低信號的傳輸損耗對于保證高速PCB的電氣性能至關(guān)重要，文章采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀分析了高速板材、銅箔類型、玻纖布類型、阻焊油墨、粗化藥水、表面處理工藝等材料及加工工藝的選擇對高速PCB的損耗性能的影響強(qiáng)弱，探討了如何降低高速PCB的插入損耗，可為高速PCB的選材和加工工藝設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：高速電路板；高速材料；加工工藝；插入損耗；信號完整性

0引言

隨著高速互聯(lián)鏈路信號傳輸速率的不斷提高，作為器件和信號傳輸?shù)妮d體，印制電路板（PCB）的信號完整性對通信系統(tǒng)的電氣性能影響越來越突出。尤其是隨著10G和25G+產(chǎn)品的大規(guī)模商用，對PCB插入損耗（Insertion Loss）的監(jiān)控是高速產(chǎn)品研發(fā)和量產(chǎn)過程中管控的重要指標(biāo)。

對于高速PCB而言，在設(shè)計時需要考量材料的選擇及設(shè)計等是否滿足信號完整性要求，這就要求盡量減小信號的傳輸損耗。根據(jù)電磁場和微波理論，PCB傳輸損耗主要由介質(zhì)損耗、導(dǎo)體損耗和輻射損耗三部分組成[1]。其中，介質(zhì)損耗是指電場通過介質(zhì)時，由于介質(zhì)分子交替極化和晶格不斷碰撞而產(chǎn)生的熱損耗；導(dǎo)體損耗是由于導(dǎo)體不理想，存在損耗電阻，在電流通過時發(fā)熱而引起的損耗，其主要影響因素是導(dǎo)體的電阻、電流分布（趨膚效應(yīng)）和導(dǎo)體的表面粗糙度；輻射損耗是微帶線場結(jié)構(gòu)的半開放性所導(dǎo)致的電磁波輻射損耗，一般而言，這部分損耗很小。因此，對于高速PCB，信號傳輸損耗主要為介質(zhì)損耗和導(dǎo)體損耗。其中，高速信號在傳輸過程中的介質(zhì)損耗與材料的介電常數(shù)、損耗因子及傳輸頻率等因素有關(guān)，近似計算公式可表示為：其中：αd為信號的介質(zhì)損耗，k為常數(shù)，f為傳輸頻率，tanδ為介質(zhì)損耗因子，εr為材料的相對介電常數(shù)。而導(dǎo)體損耗主要包括趨膚效應(yīng)導(dǎo)致的熱損耗和導(dǎo)體粗糙度導(dǎo)致的反射和疊加損耗兩方面，其中，趨膚效應(yīng)導(dǎo)致的熱損耗隨傳輸頻率的增加而增大，而導(dǎo)體粗糙度越大，信號傳輸時產(chǎn)生的“駐波”和“反射”等越大，信號損耗越大[2]。因此，降低PCB的插入損耗主要通過以下途徑實現(xiàn)：①實現(xiàn)高密度布線，從而縮短信號傳輸距離，降低信號傳輸損失；②采用具有低損耗特性的PCB材料；③采用低粗糙度的銅箔，并在加工過程中降低工藝對粗糙度的影響。

PCB的高速化發(fā)展對PCB材料、設(shè)計以及加工工藝等提出了更高的要求，為了減小信號在傳輸過程中的介質(zhì)損耗，業(yè)內(nèi)在近些年開發(fā)推出了大量的低介電常數(shù)（Dk）/低損耗因子（Df）的覆銅板、半固化片材料和低損耗阻焊油墨等[3, 4]。同時，為了降低趨膚效應(yīng)及銅箔粗糙度引起的導(dǎo)體損耗，在高速PCB中越來越多地采用低粗糙度銅箔，如RTF、VLP、HVLP等。另外，當(dāng)PCB設(shè)計和材料等確定后，加工工藝的選擇亦會對高速PCB的損耗性能產(chǎn)生不可忽視的影響。

文章通過選用不同的PCB材料及加工工藝，采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀綜合分析了高速板材、銅箔類型、玻纖布類型、阻焊油墨、粗化藥水及表面處理工藝等對高速PCB插入損耗特性的影響強(qiáng)弱，可為高速PCB的選材和加工工藝設(shè)計等提供參考。

1試驗方法

1.1 試驗材料及儀器

材料：低損耗覆銅板和半固化片，HTE、RTF和HVLP銅箔，低損耗阻焊油墨，低粗糙度藥水等。

測試儀器：阻抗和損耗采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試（上升時間為22.3 ps，頻寬為20 GHz）。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)計6層板，Top層、L3層和L5層為走線層，單端和差分信號線的阻抗分別設(shè)計為50 Ω和100 Ω，采用FD法測試插入損耗，TRL（Thru-Reflect-Line）方式進(jìn)行校正。

試板分別選用不同的材料或加工工藝制作，從而評估材料或加工工藝等對PCB插入損耗的影響。

流程設(shè)計：開料→內(nèi)層圖形→內(nèi)AOI→棕化→層壓→鉆孔→等離子→沉銅→板鍍→鍍錫→背鉆→退錫→外層干膜→圖形電鍍→外層蝕刻→外AOI→阻焊→表面處理→阻抗測試→銑板→……

2結(jié)果與討論

2.1 高速材料的選擇對高速PCB損耗性能的影響

2.1.1 不同等級高速板材對高速PCB損耗性能的影響

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Standard Loss（Df：0.015~0.020）、Mid Loss（Df：0.010~0.015）、Low Loss（Df：0.0065~0.01）、Very Low Loss（Df：0.003~0.0065）、Ultra Low Loss（Df：＜0.003）五個等級[3]。為分析不同等級高速材料對PCB插入損耗的影響，選取了業(yè)內(nèi)使用較多的三支材料：X7、X8和X9（具體參數(shù)見表1），在相同的疊層和阻抗設(shè)計時，采用FD法測試不同頻率時的插入損耗值，其結(jié)果如圖2所示。由圖可知，對于差分帶狀線，8 GHz時X7、X8和X9材料的損耗分別為0.256 dB/cm、0.182 dB/cm和0.147 dB/cm，12.5 GHz時X7、X8和X9材料的損耗分別為0.342 dB/cm、0.256 dB/cm和0.202 dB/cm，在不同傳輸頻率下，X7材料比X8材料的插入損耗值大20%~28%，X8材料比X9材料的插入損耗值大18%~22%。因此，基板材料的選擇對PCB損耗性能影響極大。

2.1.2 不同銅箔類型對高速PCB損耗性能的影響

隨著信號傳輸高速化和高頻化發(fā)展，趨膚效應(yīng)對信號傳輸質(zhì)量和信號完整性的影響越來越大，信號在導(dǎo)體中的傳輸厚度越來越薄[5]，為減小信號傳輸損耗，高速PCB板材通常會搭配低粗糙度的銅箔。按粗糙度的不同，PCB常用的銅箔有低輪廓銅箔（HVLP銅箔）、反轉(zhuǎn)銅箔（RTF銅箔）和高延伸性銅箔（HTE銅箔）。圖3是不同類型銅箔切片和毛面SEM圖片，由圖可以看出，HVLP銅箔的毛面的表面形貌的起伏落差小于RTF和HTE銅箔，其粗糙度遠(yuǎn)小于RTF和HTE銅箔。表2是三種銅箔采用光學(xué)輪廓儀測試的粗糙度結(jié)果，由表可知，HVLP銅箔的粗糙度小于RTF銅箔和HTE銅箔。由于RTF銅箔為反轉(zhuǎn)銅箔，其光面粗糙度大于毛面，而HTE銅箔則是光面粗糙度遠(yuǎn)小于毛面。

為分析不同銅箔對損耗性能的影響差異，采用X6板材（Very Low Loss等級）分別搭配不同銅箔制得損耗性能測試板，而后采用FD法測試相應(yīng)的損耗值，其結(jié)果如表3所示，由表可知，與HTE銅箔相比，HVLP銅箔的微帶線和帶狀線損耗比HTE銅箔小12~16%，差異明顯，采用HVLP銅箔能顯著降低信號傳輸損耗；與RTF銅箔相比，HVLP銅箔的微帶線損耗比RTF銅箔小4~8%，帶狀線損耗小8~12%。因此，對于高速PCB，在設(shè)計時通過合理搭配不同粗糙度的銅箔，可在一定程度上改善信號傳輸性能。

2.1.3 玻纖類型對高速PCB損耗性能的影響

PCB基材是由樹脂、玻纖、銅箔、填料等組合而成，基材的介電常數(shù)和損耗因子與其組成息息相關(guān)。為滿足PCB高速信號傳輸需求，需降低基材的介電常數(shù)和損耗因子，因此，近年來不斷推出低損耗的樹脂材料，此外，玻纖廠商也致力于研發(fā)低介電常數(shù)、低損耗因子的玻纖布，如高速基板中已大量使用的NE-玻纖布（NE-glass）是日本日東紡織株式會社為PCB開發(fā)的低介電常數(shù)、低損耗因子的玻纖布。與E-glass相比，NE-glass介電常數(shù)和介質(zhì)損耗大幅下降，其介電常數(shù)為4.4（1 MHz），損耗因子為0.0006（1 MHz）[6]。

為分析E-glass和NE-glass在相同設(shè)計時的電性能差異，采用FD法分析了X6和X6N材料的插入損耗值，其結(jié)果如表4和圖4所示。由表可知，與E-glass相比，采用NE-glass可以在一定程度上降低信號損耗。對于差分帶狀線，E-glass和NE-glass在不同頻率下?lián)p耗值相差4%~12%左右；對于差分微帶線，E-glass和NE-glass在不同頻率下?lián)p耗值相差12%~22%左右。同時，信號傳輸頻率越高，NE-glass對插入損耗的改善越明顯。此外，采用NE-glass還可以減弱玻纖效應(yīng)對信號傳輸?shù)挠绊?，有利于提升信號完整性[6]。

2.1.4 不同阻焊油墨對高速PCB損耗性能的影響

一般而言，在高速PCB中使用的阻焊油墨的損耗因子比板材大得多，因此，對于高速PCB的外層線路，影響其信號傳輸損耗的因素除PCB的設(shè)計及材料的選擇外（板材、銅箔類型、玻纖類型等），阻焊油墨的選用也對外層線路損耗性能有著較大的影響。為改善高速PCB外層線路的信號傳輸性能，近年業(yè)內(nèi)有研發(fā)推出低損耗的阻焊油墨[7]。為分析常規(guī)油墨與低損耗油墨對外層傳輸線損耗的影響差異，采用低損耗板材制作差分微帶線，而后分別絲印兩種油墨并測試絲印前后線路損耗性能的變化，其結(jié)果如圖5所示，由圖可知，對于外層差分線，未覆蓋阻焊油墨時在12.5 GHz的損耗值為0.155 dB/cm，覆蓋常規(guī)阻焊油墨后在12.5 GHz的損耗值為0.276 dB/cm，而覆蓋低損耗阻焊油墨后在12.5 GHz的損耗值為0.234 dB/cm，絲印常規(guī)阻焊油墨后線路損耗值增大約78%，且信號傳輸頻率越大，阻焊油墨對損耗的影響越大；同時，采用低損耗因子的阻焊油墨可以改善阻焊對外層線路損耗的影響，與常規(guī)阻焊油墨相比，低損耗油墨可使外層傳輸線的損耗值降低15%~20%。

除上述的高速材料組成對PCB損耗性能有影響外，同一材料的配本、規(guī)格也會導(dǎo)致?lián)p耗差異，如半固化片樹脂含量、玻纖規(guī)格的選取等亦會導(dǎo)致Df的變化，從而影響PCB損耗值。

2.2 加工工藝對高速PCB損耗性能的影響

2.2.1 銅箔粗化處理對高速PCB損耗性能的影響

PCB制作線路時，通常會對銅面進(jìn)行粗化處理，以增加干膜（或濕膜）與銅面的結(jié)合力。同時，壓合前為增加PP與銅箔的結(jié)合力，提高PCB的可靠性，也會對銅面進(jìn)行粗化處理。其中，線路制作時常用的粗化工藝有磨板或化學(xué)微蝕等，壓合前粗化一般為棕化。隨著信號高速化發(fā)展，基材所用銅箔一般為低粗糙度銅箔（VLP、HVLP等），但傳統(tǒng)粗化工藝會使銅箔粗糙度增加，從而引起導(dǎo)體損耗增加。為改善PCB制程中粗化處理對損耗性能的影響，藥水商開發(fā)了專門用于改善PCB損耗性能的低粗糙度粗化藥水，以降低銅箔粗化處理后的粗糙度。

圖6和表5分別為是傳統(tǒng)藥水與低粗糙度藥水處理后銅面形貌和粗糙度測試結(jié)果，與傳統(tǒng)藥水相比，干膜前處理和層壓前處理采用低粗糙度藥水可以降低銅面粗糙度。圖7為經(jīng)過兩種藥水處理后的差分微帶線損耗測試結(jié)果，由圖可知，采用低粗糙度藥水處理后的線路損耗比傳統(tǒng)粗化藥水的略低。在頻率為12.5 GHz時，采用傳統(tǒng)粗化藥水后（HVLP銅箔）的損耗值為0.401 dB/cm，而采用低粗糙度藥水處理后的損耗值為0.380 dB/cm，損耗降低了5.2%左右。另外，采用低粗糙度藥水制得的PCB熱應(yīng)力及剝離強(qiáng)度等測試結(jié)果表明，PCB的可靠性滿足要求。

2.2.2 表面工藝對高速PCB損耗的影響

眾所周知，裸銅本身的可焊性很好，但暴露在空氣后PCB表面的銅導(dǎo)體會迅速發(fā)生氧化，進(jìn)而導(dǎo)致PCB性能的惡化，因此需要對銅面進(jìn)行表面處理，以保證良好的可焊性及可靠性。但是，PCB進(jìn)行表面處理后，阻焊開窗的微帶線損耗會發(fā)生變化，影響信號的傳輸性能。不同表面處理工藝的選用會對PCB導(dǎo)體損耗產(chǎn)生不同影響，對高速PCB而言，選擇表面處理工藝除考慮可焊性外，還應(yīng)考慮其對信號損耗的影響。

為分析不同表面處理對PCB損耗性能的影響，采用相同的材料和設(shè)計制作得到PCB半成品，而后分別采用不同的表面處理工藝，而后測試不同表面處理的微帶線插入損耗值，其結(jié)果如表6所示。由表可知，在10 GHz和20 GHz時，沉金工藝后損耗值最大，沉銀工藝最小，與裸銅損耗值相比，10 GHz和20 GHz時沉金處理后損耗值分別增加19.32%和25.07%，而沉銀處理后損耗值分別增加2.12%和0.96%，且除沉銀和OSP外，其他表面工藝處理后單端微帶線的損耗值均比裸銅的高10%~25%左右，對線路損耗的影響較大。

表7為各金屬材料電阻率情況，由表可知銀的電阻率更小，因此沉銀工藝對微帶線損耗影響最??；雖然鎳、金的電阻率小于錫，但由于其鍍層厚度相對較厚（如表8所示），因此沉金表面工藝對微帶線的信號損耗影響較大，而沉錫表面工藝鍍層厚度只有1 μm左右，因此其對信號損耗的影響略小于無鉛噴錫。

除上述加工工藝對損耗有影響外，背鉆設(shè)計及殘樁控制等對PCB損耗也有一定的影響，通過背鉆減少過孔的殘樁長度，可以顯著減少信號反射對于損耗測試的干擾，改善內(nèi)層線路的損耗性能。

03結(jié)論

高速PCB材料的選擇以及加工制作工藝對信號損耗特性有著至關(guān)重要的影響，且PCB板卡上信號傳輸速率越高，PCB損耗性能受材料和加工工藝的影響越大，通過選擇合適等級的材料，合理搭配銅箔、玻纖布類型、阻焊油墨等，并對加工工藝進(jìn)行優(yōu)選，可以獲得電性能符合要求的PCB。通過前文分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）基板材料的選擇對PCB的損耗影響極大，在不同傳輸頻率下，不同等級材料之間的插入損耗值差異在15~30%左右；

（2）采用低粗糙度銅箔能顯著降低信號傳輸損耗，其中，搭配HVLP銅箔時損耗值比HTE銅箔小12~16%，比RTF銅箔損耗值小4~12%；

（3）與E-glass相比，采用NE-glass后損耗值可降低4%~22%，且信號傳輸頻率越高，NE-glass對損耗性能的改善越明顯；

（4）覆蓋阻焊油墨后外層線路損耗值增大約50%~70%，且信號頻率越大，阻焊油墨對損耗的影響越大；與常規(guī)阻焊油墨相比，采用低損耗油墨可使外層線路的損耗值降低10%~20%左右；

（5）采用低粗糙度藥水處理后的損耗值比傳統(tǒng)粗化藥水低5%左右，且PCB的可靠性滿足要求；

（6）不同表面工藝信號對損耗的影響強(qiáng)弱為：沉金＞無鉛噴錫＞沉錫＞OSP＞沉銀，與裸銅相比，不同表面工藝處理后微帶線損耗值增大1%~20%左右。