文麗梅 翟可鵬 曾 佳

（珠海景旺柔性電路有限公司，廣東 珠海 519070）

0 引言

在印制電路板（printed circuit board，PCB）中，當(dāng)高頻信號電流經(jīng)過傳輸線時，大部分趨向于聚集在傳輸線的表面，即越靠近表面位置，所流過的電流密度越大，這種現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)［1］。在PCB 制造過程中，信號走線所使用的銅箔表面并非絕對平整，存在微小的粗糙結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。在掃描電子顯微鏡（scanning electronic microscopy，SEM）圖中可見，銅箔的表面粗糙度大小不一，微觀形貌差異明顯。受趨膚效應(yīng)的影響，當(dāng)傳輸線上的信號頻率超過1 GHz 后，信號電流的趨膚深度幾乎與粗糙結(jié)構(gòu)的尺度完全重合［2］。當(dāng)信號在表面粗糙結(jié)構(gòu)上傳播時，交替變化的電磁波與起伏不平的粗糙結(jié)構(gòu)相互作用，產(chǎn)生散射與吸收，造成能量的損失［3］。因此，傳輸線上的表面粗糙度是影響高頻信號完整性的重要因素［4］。

目前，關(guān)于表面粗糙度對信號完整性的影響的研究已有很多報道［5-8］，但表面粗糙度的變化范圍對信號完整性產(chǎn)生影響的具體程度，以及如何通過不同的表面處理方式對表面粗糙度進行調(diào)控的相關(guān)研究較少。本文結(jié)合模擬仿真和實測結(jié)果，研究了傳輸線表面粗糙度在0～3 μm 范圍內(nèi)變化時對插入損耗的影響程度，得到量化的表面粗糙度-插入損耗影響規(guī)律。同時分析了PCB 制作過程中孔鍍/板鍍、棕化、微蝕、中粗化表面處理方式引起的銅面粗糙度變化差異，為后續(xù)表面處理方式的選擇提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗部分

1.1 試驗材料和設(shè)備

試驗材料和設(shè)備清單見表1。

表1 試驗材料和設(shè)備

1.2 試驗方法

1.2.1 不同表面粗糙度傳輸線對插入損耗影響的仿真模擬

首先，使用ANSYS HFSS 三維電磁仿真軟件，分別建立微帶傳輸線和帶狀傳輸線的結(jié)構(gòu)模型，如圖2 所示；然后選定傳輸線表面，在表面粗糙度模型中輸入不同的粗糙度數(shù)值；最后計算模型對應(yīng)的插入損耗。

圖2 微帶傳輸線和帶狀傳輸線的仿真結(jié)構(gòu)模型

1.2.2 不同表面粗糙度傳輸線產(chǎn)品的制作及插入損耗測試

設(shè)計3 層板（1+2 疊構(gòu)），傳輸線分布在頂層，分別設(shè)計微帶線和帶狀線，對應(yīng)的疊構(gòu)如圖3所示。

制作流程為開料→內(nèi)層線路→疊板→傳壓→二次鉆孔→黑影→鍍銅（選鍍圖形→圖形電鍍）→外層線路→電測→貼合（微帶線產(chǎn)品只貼覆蓋膜，帶狀線產(chǎn)品貼覆蓋膜后頂層再貼屏蔽）→外形切割。不同粗糙度表面樣品制作特殊點說明見表2，外層線路需按照銅厚差異更改傳輸線寬度，使成品特性阻抗統(tǒng)一為50 Ω。產(chǎn)品制作完成后，先采用粗糙度儀測試A、B、C 這3 款產(chǎn)品的實際表面粗糙度，再用網(wǎng)絡(luò)分析儀測試不同粗糙度產(chǎn)品的插入損耗，對測試結(jié)果進行對比分析。

表2 不同粗糙度表面樣品制作特殊點說明

1.2.3 不同處理方式對表面粗糙度的影響

柔性印制電路板（flexible printed circuit board，F(xiàn)PCB）做到覆蓋膜（coverlay，CVL）壓合時，會經(jīng)歷不同的表面處理，對信號線表面粗糙度產(chǎn)生影響。首先測試原基材撓性覆銅板（flexible copper clad laminate，F(xiàn)CCL）的表面粗糙度；然后使用不同方式對原基材表面進行處理，測試處理后產(chǎn)品的表面粗糙度，處理方式如圖4所示。

圖4 FCCL表面不同處理方式

2 結(jié)果與分析

2.1 不同表面粗糙度傳輸線對插入損耗影響的仿真模擬結(jié)果

采用1.2.1 中方法，對不同表面粗糙度的微帶線和帶狀線的插入損耗進行模擬計算，分析表面粗糙度在0～3.0 μm 范圍內(nèi)逐漸增大時對應(yīng)插入損耗的變化趨勢。微帶線和帶狀線表面粗糙度不同時對應(yīng)的插入損耗測試曲線如圖5所示。

圖5 不同表面粗糙度傳輸線對應(yīng)的插入損耗仿真曲線

從圖5 可以看出，隨著表面粗糙度的增加，插入損耗也逐漸增大，并且頻率越高，插入損耗的變化差異越大［9］。

（1）當(dāng)微帶線表面粗糙度從0增加到1 μm時，插入損耗在20 GHz 處惡化了0.46 dB。從1 μm 增加到2 μm 時，插入損耗惡化了0.10 dB。從2 μm繼續(xù)增大到3 μm 時，插入損耗僅惡化了0.04 dB，這與表面粗糙度從0 增加到1 μm 時插入損耗的惡化程度相比已大幅減小。如圖5（a）所示。

（2）帶狀線表面粗糙度對插入損耗的影響規(guī)律也呈現(xiàn)相同的趨勢。說明雖然插入損耗會隨著粗糙度的增加而逐漸增大，但是當(dāng)粗糙度大于1 μm 時，插入損耗的變化程度已趨于平緩。如圖5（b）所示。

2.2 不同表面粗糙度傳輸線對信號損失影響的實測

采用1.2.2 中不同的電鍍方式處理后，按照后續(xù)流程完成加工，得到A、B、C 三種不同表面粗糙度的微帶線和帶狀線產(chǎn)品，對應(yīng)的粗糙度實測均值如圖6 所示。對其表面粗糙度進行測試，A、B、C 的粗糙度分別為1.3、1.0、0.85 μm。原因為鍍銅越厚，產(chǎn)品在電鍍槽里加工時間越長，整平劑填充銅層表面高低差的效果越好。

圖6 不同電鍍方式及對應(yīng)的表面粗糙度

實際微帶線和帶狀線的實測插入損耗曲線對比如圖7所示。由圖7可知，無論是微帶線還是帶狀線，當(dāng)表面粗糙度為0.85 μm時，傳輸線的插入損耗比較小。隨著表面粗糙度增加到1.0 μm，插入損耗也有所增大。但是當(dāng)表面粗糙度進一步增加到1.3 μm 時，插入損耗未見明顯變化，基本與表面粗糙度為1.0 μm時保持一致。這與2.1中的仿真結(jié)果表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律。

圖7 不同表面粗糙度傳輸線對應(yīng)的插入損耗實測曲線

仿真與實測結(jié)果表明表面粗糙度對傳輸線插入損耗的影響規(guī)律為：傳輸線的插入損耗會隨著表面粗糙度的增加而逐漸增大。當(dāng)表面粗糙度＜1 μm 時，其變化對插入損耗有明顯影響；但當(dāng)表面粗糙度＞1 μm 時，其變化對插入損耗影響較小。

2.3 不同處理方式對表面粗糙度的影響

為了在產(chǎn)品加工過程中改變表面粗糙度，以達到性能指標(biāo)要求，研究了不同處理方式對表面粗糙度的具體影響，結(jié)合1.2.3 的不同表面處理方式制作樣品，最后測試其表面粗糙度的差異，結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同方式處理后的銅箔表面粗糙度

（1）原基材FCCL 分別經(jīng)過無鍍銅、鍍銅、鍍銅+整平劑處理后，粗糙度表現(xiàn)為，無鍍銅＞1 μm＞鍍銅＞（鍍銅+整平劑）。

（2）無鍍銅的樣品分別經(jīng)過棕化、微蝕、中粗化藥水體系，表面粗糙度表現(xiàn)為，中粗化＞微蝕≥棕化＞1 μm。

（3）鍍銅后的樣品分別進行棕化、微蝕、中粗化處理，粗糙度大小表現(xiàn)為：1 μm＞中粗化＞棕化＞微蝕。

無鍍銅方式表面粗糙度＞1 μm，鍍銅后粗糙度＜0.7 μm。因此，如要優(yōu)化傳輸線的插入損耗，可通過鍍銅方式優(yōu)化，相對較好的方式是整平劑鍍銅+微蝕（雙氧水+硫酸）表面清潔工藝，以減小傳輸線的表面粗糙度。

3 結(jié)論

本文結(jié)合模擬仿真和實測結(jié)果，研究了傳輸線表面粗糙度對插入損耗的影響規(guī)律，以及PCB制作過程中不同前處理方式引起的表面粗糙度變化差異，得到結(jié)論如下。

（1）傳輸線的插入損耗會隨著表面粗糙度的增加逐步增大，但增大幅度會逐漸趨于平緩。當(dāng)表面粗糙度＜1 μm 時，其變化對插入損耗有明顯影響，但當(dāng)表面粗糙度＞1 μm 時，其變化對插入損耗影響較小。

（2）相同疊構(gòu)、選材設(shè)計的微帶線和帶狀線，帶狀線的插入損耗比微帶線小。

（3）鍍銅可明顯降低表面粗糙度，且含有整平劑的藥水鍍銅后表面粗糙度更小。在后段工序進行前處理時，優(yōu)先選擇普通的微蝕（雙氧水+硫酸）藥水體系，以減小傳輸線的表面粗糙度，從而降低插入損耗。

（4）如制作對信號完整性和粗糙度有較高要求的產(chǎn)品，推薦使用減銅+整平劑藥水鍍銅工藝，即便鍍銅后經(jīng)過棕化、微蝕、中粗化等表面清洗處理，也能將粗糙度控制在1 μm內(nèi)。