文/朱泳名　葛鷹

高速PCB通孔非功能性焊盤對(duì)信號(hào)的影響分析

文/朱泳名葛鷹

高速信號(hào)一直是通信行業(yè)無(wú)法回避的一個(gè)話題，隨著傳輸信號(hào)信息量的加大和傳輸速率的加快，高速信號(hào)的重要性愈加凸顯。高速印制電路板（Printed CircuitBoard，以下簡(jiǎn)稱PCB）作為高速信號(hào)的載板，其材料選擇、加工工藝及線路設(shè)計(jì)都會(huì)對(duì)信號(hào)質(zhì)量產(chǎn)生影響，其中非功能性焊盤（No-FunctionPad，以下簡(jiǎn)稱NFP）是高速PCB加工的一項(xiàng)技術(shù)手段，而插入損耗是表征信號(hào)質(zhì)量的最重要的參數(shù)之一。本文從PCB加工流程出發(fā)，嚴(yán)格控制加工過(guò)程中的各類影響因素，從而來(lái)確定NFP對(duì)高速信號(hào)插入損耗帶來(lái)的影響。

1　NFP簡(jiǎn)介

NFP是指在通孔經(jīng)歷的每一層上所保留的非功能性焊盤，它不會(huì)用作于任何的電信號(hào)傳輸，但可以增強(qiáng)通孔孔壁沉銅的附著力。具體如圖1所示。

圖1　NFP示意圖

因?yàn)樵黾覰FP等于在沉銅之前為其提供了金屬附著點(diǎn)，所以在高多層PCB的制作過(guò)程中很多廠家都會(huì)增加NFP以保證更好的沉銅效果。

2　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

此次考察選取相同覆銅板材料，設(shè)計(jì)為20層，在第3層和第18層布線，通過(guò)對(duì)比增加NFP（方案1）和不增加NFP（方案2）的線路插入損耗，來(lái)確認(rèn)NFP是否會(huì)對(duì)信號(hào)質(zhì)量產(chǎn)生影響。由于在PCB加工過(guò)程中存在很多不確定因素，所以在考察信號(hào)插入損耗的同時(shí)也對(duì)幾大主要參數(shù)進(jìn)行考察，以確保沒(méi)有因加工引入其它影響因素。

3　影響因素考察

3.1阻抗一致性考察

在信號(hào)損耗的測(cè)試過(guò)程中，因?yàn)樽杩共贿B續(xù)會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生反射最終影響插入損耗的測(cè)試結(jié)果，所以阻抗一致性控制的好壞會(huì)直接影響損耗測(cè)試的準(zhǔn)確性。分別按方案1和方案2進(jìn)行特征阻抗測(cè)試，得到的特征阻抗值見(jiàn)表1。

表1　特征阻抗測(cè)試結(jié)果

從表1可知，兩種方案的阻抗差異在5%以內(nèi)，可以排除它對(duì)損耗測(cè)試的影響。

3.2插入損耗影響因素考察

插入損耗由介質(zhì)損耗和導(dǎo)體損耗構(gòu)成，由于此次對(duì)比考察的兩種方案使用了相同的材料及光繪圖形，所以造成介質(zhì)損耗和導(dǎo)體損耗的原因只會(huì)出現(xiàn)在PCB的加工上，下面對(duì)這兩項(xiàng)分別進(jìn)行分析，以確保PCB的加工不會(huì)對(duì)考察造成影響。

3.2.1介質(zhì)損耗考察

高多層壓合時(shí)所使用的粘結(jié)片會(huì)產(chǎn)生一定的流膠，而流膠量的不同會(huì)帶來(lái)介質(zhì)損耗的差異。鑒于粘結(jié)片流膠的不確定性，在壓合完成之后對(duì)其進(jìn)行切片分析，以徹底排除流膠量不同帶來(lái)的影響。切片測(cè)量見(jiàn)圖2。

圖2　信號(hào)線上下層介質(zhì)厚度測(cè)量

從圖2可知，此次兩種考察方案的線路上下層芯板厚度分別為139.8μm及135.2μm，而層壓后粘結(jié)片厚度分別為257.4μm和251.9μm，上下介質(zhì)厚度差異最大值在6μm以內(nèi)，厚度控制符合公差要求，不會(huì)因介質(zhì)本身?yè)p耗而影響到插入損耗。

3.2.2導(dǎo)體損耗考察

導(dǎo)體損耗則與測(cè)試線路的線長(zhǎng)、線寬、表面粗糙度乃至PCB加工時(shí)的側(cè)蝕等因素有關(guān)系。在此次考察的兩種方案中，線路設(shè)計(jì)是一樣的，可排除線長(zhǎng)的影響。而加工時(shí)的棕化效果、蝕刻液濃度、水壓等因素會(huì)對(duì)線寬、線路表面粗糙度產(chǎn)生影響。為排除這些復(fù)雜的因素，此次考察直接從最終結(jié)果來(lái)判斷線路加工的一致性，具體見(jiàn)圖3。

圖3　傳輸線電鏡測(cè)量圖片

如圖3所示，在電鏡下對(duì)方案1與方案2的傳輸線進(jìn)行測(cè)量得出線寬分別為168μm和166μm，傳輸線高度分別為18.3μm和18.9μm，表面粗糙度都在2.5μm的水平，這說(shuō)明在傳輸線的PCB加工上導(dǎo)體損耗基本一致，繼而排除導(dǎo)體損耗對(duì)插入損耗的影響。

4　NFP影響分析

結(jié)合插入損耗的產(chǎn)生機(jī)理，從介質(zhì)損耗和導(dǎo)體損耗的產(chǎn)生源頭出發(fā)，通過(guò)對(duì)PCB加工一致性的一系列考察，以確保此次考察的兩種方案只存在NFP這一個(gè)變量。依照 IPC-TM650-2.5.5.12標(biāo)準(zhǔn)中 FD （FrequencyDomain，頻域）方法對(duì)方案1和方案2進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖4所示。

圖410　GHz下兩種方案的插入損耗比較

鑒于只存在NFP這一個(gè)變量，所以可以大致判定NFP對(duì)信號(hào)插入損耗的影響。方案1為未增加NFP，所以不管是第03層還是第18層，其插入損耗測(cè)試結(jié)果都小于增加了NFP的方案2，這說(shuō)明引入NFP會(huì)增大信號(hào)的插入損耗。

從此次考察結(jié)果來(lái)看，兩種方案之間損耗差異在9%的水平，圖5是某著名通信終端對(duì)材料等級(jí)進(jìn)行了初步的劃分。

圖5　插入損耗對(duì)材料等級(jí)的劃分

參照?qǐng)D5可知各等級(jí)材料之間的插入損耗差異其實(shí)是比較小的，如果此次考察NFP所引入的插入損耗差異剛好落在劃分界限的臨界范圍內(nèi)，那么NFP可能會(huì)使材料等級(jí)降低一個(gè)等級(jí)，這對(duì)材料生產(chǎn)商到終端這一整條生產(chǎn)鏈來(lái)說(shuō)都會(huì)有很大的影響。

5　結(jié)語(yǔ)

對(duì)于高速PCB來(lái)說(shuō)，高多層是必然的發(fā)展趨勢(shì)，而通孔的制作是它的一大難題。NFP對(duì)PCB孔壁加工過(guò)程中的沉銅效果有較大的改善，在防止孔銅脫落、孔壁裂紋等質(zhì)量問(wèn)題上有著其難得的功效。本文排除了其它影響因素，考察了NFP對(duì)信號(hào)插入損耗帶來(lái)的影響，以供材料生產(chǎn)商、PCB廠家以及終端制造廠家作為高速PCB設(shè)計(jì)的參考。

朱泳名（1988-），男，工程師，本科，任職于廣東生益科技股份有限公司，從事高頻高速電路基材測(cè)試及研究工作；葛鷹（1983-），男，工程師，碩士研究生，任職于廣東生益科技股份有限公司，從事高頻高速電路基材測(cè)試及研究工作。