胡玉春 邱小華 曾憲悉

（惠州中京電子科技有限公司，廣東 惠州 519029）

0 前言

高速印制電路板（PCB）線路中外層微帶線（Micro Strip）的信號(hào)傳輸損失較內(nèi)層帶狀線（Strip line）更大，造成此結(jié)果的兩個(gè)主要原因：（1）外層微帶線的裸銅必須有涂飾層保護(hù)，而無論使用哪一種涂飾層都會(huì)加大信號(hào)的損失；（2）PCB表面需要防焊層保護(hù)，而普通的阻焊油墨的Dk/Df值相比起干燥空氣要大得多，相比高速板材更高，造成了信號(hào)損耗。所以為了降低外層信號(hào)線的損耗，表面處理方式和阻焊油墨的選擇都尤為關(guān)鍵。

本文主要從幾種高速PCB類產(chǎn)品常用的幾種表面處理進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，得到不同表面處理對(duì)信號(hào)損失的相關(guān)數(shù)據(jù)，給PCB在表面處理設(shè)計(jì)時(shí)提供可參照的依據(jù)。另外對(duì)市面幾家主流阻焊油墨比較對(duì)外層損耗的影響。

1 基本數(shù)據(jù)

1.1 損耗

根據(jù)電磁場(chǎng)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(chǎng)通過介質(zhì)時(shí)，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(shí)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(chǎng)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(duì)于高速PCB，信號(hào)傳輸損耗主要為介質(zhì)損耗和導(dǎo)體損耗。其中，高速信號(hào)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(jì)算公式如式（1）。

其中：αd為信號(hào)的介質(zhì)損耗，k為常數(shù)，f為傳輸頻率，tanδ為介質(zhì)損耗因子即Df值，εr材料的相對(duì)介電常數(shù)即Dk值。

由式（1）可以看出，介質(zhì)損耗除了和頻率成正比之外，還與Df值大小成正比，與值大小成正比，所以理論上來說Dk與Df越低則損耗值越低。因此在板材等設(shè)計(jì)固定的情況下，外層微帶線（MicroStrip）覆蓋的阻焊油墨Dk/Df值對(duì)信號(hào)的損耗有一定的影響。

導(dǎo)體損耗沒有具體的計(jì)算公式，但是導(dǎo)體損耗與導(dǎo)體自身特性、表面的粗糙度有直接的關(guān)系。PCB不同表面處理方式會(huì)讓信號(hào)傳輸在不同的材質(zhì)之上，也直接影響了最終的信號(hào)損耗結(jié)果。

圖1 外層微帶線和內(nèi)層帶狀線圖示

1.2 阻焊油墨

選用阻焊油墨的信息如表1所示。

表1 對(duì)比5款阻焊油墨Dk/Df信息表

1.3 表面處理

表2是幾種常見表面處理時(shí)涂飾層厚度及電導(dǎo)率/磁導(dǎo)率特性?？梢钥吹芥嚨碾妼?dǎo)率較高，且相對(duì)磁導(dǎo)率是最大的，另外錫相對(duì)的電導(dǎo)率也是最大的。

表2 常見涂飾層厚度及電性能特性表

1.4 趨膚效應(yīng)

在低頻率情況下，導(dǎo)體上的電流幾乎均勻分布在導(dǎo)體內(nèi)部；但在高頻時(shí)，導(dǎo)體中出現(xiàn)交流或者交變電磁場(chǎng)。此時(shí)導(dǎo)體內(nèi)部的電流分布發(fā)生變化，電流主要集中在導(dǎo)體外表的薄層。頻率越高薄層越薄，越靠近導(dǎo)體表面，電流密度也越大；相反，導(dǎo)體內(nèi)部的電流卻很小甚至沒有電流，如圖2所示。這一現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)（skin effect）[2]。

圖2 趨膚深度與頻率之間的關(guān)系圖

大部分高速產(chǎn)品的工作頻率已達(dá)到6～16 GHz范圍，可以看出信號(hào)的趨膚深度已經(jīng)達(dá)到約0.5～1.0 μm，而鎳的磁導(dǎo)率和電阻率相對(duì)要大，也就意味著其趨膚效應(yīng)更明顯而使信號(hào)傳輸面積的減少也導(dǎo)致了導(dǎo)體的電阻及損耗的增加。

2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)所使用的基材（IT-988GSE、Megtron7GN），表面處理方式，以及對(duì)比測(cè)試的各家油墨型號(hào)如表3所示。

表3 試驗(yàn)材料及設(shè)計(jì)信息表

試驗(yàn)采用4層電性測(cè)試板設(shè)計(jì)損耗及阻抗模塊，選用兩種超低損耗基材，其中IT-988GSE設(shè)計(jì)對(duì)比不同表面處理時(shí)的外層損耗差異，Megtron7GN設(shè)計(jì)采用不同類型防焊油墨+常規(guī)OSP表面處理的方式對(duì)比外層的損耗數(shù)據(jù)。

測(cè)試設(shè)備：四端口網(wǎng)絡(luò)分析儀E5071C。數(shù)據(jù)采用網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA），用Delta L方法測(cè)試微帶線（Microstrip）的損耗數(shù)據(jù)。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 不同表面處理對(duì)損耗的影響

不同表面處理的信號(hào)傳播走的路徑是不一樣的，在常規(guī)高速產(chǎn)品的工作頻率范圍（6～16 GHz）范圍內(nèi)，裸銅設(shè)計(jì)信號(hào)只走在銅層上，外面就是空氣，而空氣的Dk和Df都是極小的，因此得到的損耗來看也是最低的。化鍍鎳/金處理中傳播在金層和鎳層之間，鎳的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率都較大結(jié)果就是信號(hào)損失最大。具體結(jié)果如表4所示，和對(duì)比走勢(shì)圖3所示。以12.89 GHz的頻率相對(duì)裸銅來看，化銀上升1.38%，為除裸銅狀態(tài)外最佳的表面處理方式；其次是OSP，上升8.41%；大面積裸銅+OSP在實(shí)際中是行不通的，所以此項(xiàng)只做對(duì)比試驗(yàn)沒有實(shí)際應(yīng)用意義。化錫上升66.27%，常規(guī)做法：防焊+OSP，此做法上升幅度達(dá)到72.63%，而最差的做法就是化鍍鎳/金上升高達(dá)183%，即損耗是裸銅狀態(tài)下的2.83倍。

圖3 不同表面處理時(shí)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)情況圖

表4 不同表面處理時(shí)損耗數(shù)據(jù)對(duì)比表

3.2 油墨對(duì)比測(cè)試結(jié)果

使用不同油墨時(shí)由于油墨自身的Dk/Df和材料特性是不同的，由式（1）知道介質(zhì)損耗與材料的×Df是成正比關(guān)系。測(cè)試的幾款油墨的供應(yīng)商原始Dk/Df信息如表5所示。

表5 測(cè)試阻焊油墨的Dk/Df特性表

最終實(shí)際測(cè)試結(jié)果如表6所示和圖4所示。結(jié)果顯示，相同材料相同設(shè)計(jì)時(shí)使用不同的阻焊油墨測(cè)出的損耗數(shù)據(jù)有明顯差異，且各家高速油墨相對(duì)普通油墨來說都有一定的改善效果。

圖4 使用阻焊油墨值時(shí)測(cè)試外層損耗數(shù)據(jù)圖

表6 使用不同型號(hào)阻焊油墨時(shí)損耗結(jié)果表

總結(jié)油墨測(cè)試：損耗方面使用高速油墨對(duì)比普通油墨時(shí)對(duì)外層微帶線（Microstrip）的損耗均有一定的改善，以上測(cè)試的幾款高速油墨在12.89 Ghz時(shí)的損耗相比普通油墨H9100 8G（普通油墨）損耗下降依次：H9100 GT1（-15.44%）、PSR-4000 LT02G（-12.77%）、LP-4G G-11（-9.82%）、SR-500DHG01（-3.38%）。

4 結(jié)論

本文通過兩款高速材料設(shè)計(jì)4層電性測(cè)試板，分別測(cè)試不同表面處理以及使用不同阻焊油墨時(shí)對(duì)微帶線（Microstrip）損耗的影響得出如下結(jié)論。

（1）不同表面處理時(shí)損耗差異明顯，損耗由低到高依次為：裸銅＜化銀＜OSP＜化錫＜阻焊+OSP＜化金；

（2）常規(guī)流程：普通阻焊油墨+OSP處理時(shí)相比裸銅狀態(tài)損耗上升約73%；

（3）采用高速油墨對(duì)于微帶線（Microstrip）損耗均能一定程度降低，以目前測(cè)試的幾款高速油墨損耗來看容大油墨H9100 GT1（-15.44%）損耗最小。