張志超 彭鏡輝 黎欽源 向參軍

（廣州廣合科技股份有限公司，廣東 廣州 510730）

0 引言

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，服務(wù)器產(chǎn)品運算速率越來越快。為確保印制電路板（printed circuit board，PCB）產(chǎn)品能滿足越來越高速的運算需求，整條電子產(chǎn)業(yè)鏈均不斷提高自身的產(chǎn)品質(zhì)量水平。樹脂廠商開發(fā)更低介質(zhì)損耗（Df）的樹脂材料和填料，銅箔廠商開發(fā)更低粗糙度的銅箔，油墨廠商開發(fā)更低Df的防焊油墨，PCB 廠商通過使用更高的背鉆技術(shù)減少背鉆后殘樁長度和背鉆偏移度，以及通過改善棕化條件來提升信號完整性。本文通過重點分析對比不同棕化條件對超高速材料插入損耗（以下簡稱“插損”）的影響，以及棕化返工對銅面粗糙度的影響，為探究后續(xù)PCB 棕化加工對信號完整性的影響提供數(shù)據(jù)參考。

1 實驗設(shè)計

為驗證不同棕化條件對插損的影響，試驗選取普通棕化藥水和低粗糙度棕化藥水對PCB 在制板進行棕化處理；2 種藥水均使用3 種不同微蝕量，分別為0.75、1.5、2.25 μm。測試板材料選用超低損耗（1 型）（ultra low loss 1，ULL1）和超低損耗（2 型）（ultra low loss 2，ULL2）2 種，銅箔均為極低輪廓銅箔（ultra low profile copper foil，HVLP）。阻抗線設(shè)計4 組，阻抗值均為85 Ω，高速阻抗網(wǎng)絡(luò)分別由4 組不同線寬/間距、介厚搭配組成，信號線所在層別為L9、L3、L5、L7 層。通過上述條件組合搭配共有48 種不同組合，使用Delta L 3.0 測試方法測試收集48 種條件的插損結(jié)果，分析對比各條件對插損影響。各條件設(shè)計因子見表1。

表1 影響信號完整性的因子

2 試驗與分析

2.1 插損數(shù)據(jù)測試收集

根據(jù)表1所列48組條件，使用Delta L 3.0測試方法選取4.00、8.00、12.89、16.00、20.00 GHz 5 個頻點插損數(shù)據(jù)；按材料等級、層別、棕化藥水、微蝕量組合條件所測插損結(jié)果，從大到小排列，見表2。

表2 插損測試結(jié)果匯總

2.2 綜合條件插損對比分析

插損測試頻點取4、8、16、20 GHz，在不同超高速材料、層別（疊層結(jié)構(gòu)）、棕化條件下對插損測試差異進行對比，如圖1～圖4所示。

圖1 測試頻點取4 GHz時插入損耗主效應(yīng)（1 inch≈2.54 cm）

圖2 測試頻點取8 GHz時插入損耗主效應(yīng)（1 inch≈2.54 cm）

圖3 測試頻點取16 GHz時插入損耗主效應(yīng)（1 inch≈2.54 cm）

圖4 測試頻點取20GHz時插入損耗主效應(yīng)（1 inch≈2.54 cm）

由圖1 可知，普通棕化藥水隨著微蝕量從2.25 μm 到0.75 μm 逐漸變低，插損結(jié)果呈下降趨勢，隨著測試頻點增加，插損下降趨勢越來越明顯；普通棕化藥水不同微蝕量對插損影響有較大差異，微蝕量越小，插損結(jié)果越好。

低粗糙棕化藥水隨著微蝕量從2.25 μm 到 0.75 μm 逐漸變低，插損結(jié)果也呈下降趨勢，但下降趨勢并不明顯；隨著頻點增加，插損下降稍有增大，整體分析低粗糙棕化藥水不同微蝕量對插損并無明顯影響。

不同材料等級和層別（85 Ω阻抗線不同介厚、線寬/間距組合）對插損影響也有較大差異，整體分析兩者，發(fā)現(xiàn)均對插損有較大影響；隨著測試頻點的增加，兩者變化趨勢也有區(qū)別，材料等級變化對插損影響越來越大，層別變化對插損影響越來越小。在后續(xù)的產(chǎn)品應(yīng)用場景中，頻率將會越來越高，因此首先應(yīng)該關(guān)注材料變化對插損的影響，其次才是疊層變化對插損的影響。

2.3 普通棕化及低粗糙棕化不同微蝕量的插損對比

選擇服務(wù)器產(chǎn)品使用的0.08/0.23 mm 疊層設(shè)計下的插損數(shù)據(jù)，分析普通棕化和低粗糙棕化藥水在不同微蝕量下對插損的影響，結(jié)果見表3 和圖5。由圖5 可知，普通棕化藥水下，隨著微蝕量降低，插損越來越??；低粗糙棕化藥水下，不同微蝕量插損無明顯差異；普通棕化藥水0.75 μm微蝕量和低粗糙棕化藥水各微蝕量下的插損結(jié)果較接近。

圖5 普通棕化和低粗糙棕化損耗對比

表3 不同微蝕量插損對比

針對普通棕化，ULL1等級材料以棕化微蝕量2.25 μm 為基準，微蝕量0.75 μm 插損要好14.6%；ULL2 等級材料以棕化微蝕量2.25 μm 為基準，微蝕量0.75 μm插損要好13.5%。

對比低粗糙棕化和普通棕化藥水插損差異，ULL1 等級材料以普通棕化微蝕量1.5 μm 為基準，低粗糙棕化微蝕量1.5 μm 插損要好10.1%；ULL2等級材料，以普通棕化微蝕量1.5 μm 為基準，低粗糙棕化微蝕量1.5 μm 插損要好13.3%。說明材料等級越高，低粗糙棕化相對普通棕化藥水對插損的提升效果越明顯。

2.4 普通棕化及低粗糙棕化不同微蝕量銅面粗糙度對比

高頻信號在高速線上傳輸時的損耗主要有導體損耗和介質(zhì)損耗。導體損耗的原因之一是受趨膚效應(yīng)影響。趨膚效應(yīng)是指高頻電流流經(jīng)導體時，電流會趨于沿導體表面?zhèn)鬏敚l率越高，導體電流沿導體表面?zhèn)鬏數(shù)内厔菰矫黠@，導體表面粗糙度會增加電磁波反射，進一步增加導體損耗。趨膚深度為

式中：μ為導體磁導率，σ為導體電導率，f為信號頻率。

趨膚深度與信號頻率關(guān)系如圖6所示。

圖6 趨膚深度與信號頻率關(guān)系

普通棕化藥水和低粗糙棕化藥水分別在0.75、1.50、2.25 μm 微蝕量下對銅面的粗化效果如圖7所示。

圖7 不同棕化微蝕量對銅面粗化對比

普通棕化藥水下，隨著微蝕量增加，對銅表面粗化效果越明顯，銅表面越粗糙；低粗糙棕化藥水下，隨著微蝕量增加，對銅表面粗化效果并無明顯差異；普通棕化藥水棕化微蝕量0.75 μm和低粗糙棕化藥水各微蝕量下，對銅面粗化效果較為接近。

綜上所述，各棕化條件下插損差異和銅面粗糙度有較強正相關(guān)。棕化處理后銅面越粗糙，插損結(jié)果越差，符合導通損耗受趨膚效應(yīng)的影響理論，可推斷不同棕化條件對插損影響的本質(zhì)主要是對銅面粗化效果的不同影響。棕化對銅導體表面粗化越嚴重，對插損影響越大，插損表現(xiàn)也將越差。

2.5 各類銅箔銅面粗糙度對比分析

在上述分析中，可以了解各棕化條件對銅導體表面粗化及插損的影響。不同棕化條件下，插損差異主要受銅面粗化程度的影響。實驗中選用的銅箔為HVLP，在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，CCL 常用的銅箔類型還有反轉(zhuǎn)銅箔（reverse treated copper foil，RTF）、RTF（2 型）、高溫壓延性銅箔（high trmperature elongation electrodeposited copper foil，HTE）等。

棕化微蝕量常規(guī)控制在固定的范圍內(nèi)，普通棕化微蝕量控制在1.5 μm，低粗糙棕化微蝕量控制在1.1 μm。生產(chǎn)中常見的操作有棕化返工。分析各類銅箔在不同棕化藥水及不同棕化次數(shù)條件下的銅導體表面粗化效果，對分析插入損耗影響具有較大參考意義。

RTF、RTF2、HTE、HVLP 銅箔在不同棕化條件下銅表面粗糙度對比分析見表4和表5。

表4 各類銅箔不同棕化條件下銅導體垂直切面掃描電鏡對比（放大2 000倍）

表5 各類銅箔不同棕化條件下銅導體表面掃描電鏡對比（放大2 000倍）

3 結(jié)論

通過上述不同棕化條件對插損及銅面粗糙度影響差異分析，得到結(jié)論如下。

（1）PCB 在低粗糙棕化藥水0.75、1.5、2.25 μm 微蝕量棕化處理后，所測插損無明顯差異；經(jīng)過棕化處理后的線路銅面較平整，不同微蝕量棕化處理后銅面粗糙度無明顯差異。

（2）PCB 在普通棕化藥水0.75、1.5、2.25 μm微蝕量棕化處理后，所測插損差異較大，隨著微蝕量增加插損變得越來越大；經(jīng)過不同微蝕量棕化處理后，銅面粗糙度差異較大，隨著棕化微蝕量增加，對應(yīng)的銅面粗糙度變得越來越大；隨著測試頻率增加，不同微蝕量棕化處理后對應(yīng)的插損差異也越來越大。

（3）不同棕化條件對插損影響差異主要受銅面粗糙度變化差異影響，棕化處理后銅面越粗糙，插損越差；低粗糙棕化處理后，能獲得粗糙度較好且一致性較好的銅面，插損表現(xiàn)也較好；普通棕化處理后，對銅面粗化效果差異較大，對插損影響也有較大差異。

（4）隨著測試頻率增加，不同材料等級對應(yīng)的插損差異越來越大；不同疊層（85 Ω 阻抗線不同介厚、線寬/間距的組合）對應(yīng)的插損差異越來越??；因產(chǎn)品使用頻率將會越來越高，后續(xù)應(yīng)該更加關(guān)注材料等級變化對插損的影響。

（5）高等級材料低粗糙棕化處理相對普通棕化處理后的插損有所提升，比低等級材料效果明顯，在越來越高等級材料的使用場景中，低粗糙棕化對插損的提升將越來越明顯。

（6）RTF、RTF2 銅箔在做棕化處理前，銅箔表面呈蜂窩狀；在經(jīng)過棕化處理后，銅箔波峰位置被咬蝕使得Rz值變小，可降低銅箔整體粗糙度。

（7）HTE、HVLP 銅箔在做棕化處理前，銅箔表面光滑平整；經(jīng)過棕化處理后會增加銅箔表面粗糙度，普通棕化相對低粗糙棕化對銅面粗化效果更顯著；棕化返工均會進一步增加銅箔表面粗糙度。