SFP光模塊PCB制作工藝研究

安國義 嚴來良 李長生 文澤生

（深圳市深聯(lián)電路有限公司，廣東 深圳 518104）

SFP光模塊PCB制作工藝研究

安國義 嚴來良 李長生 文澤生

（深圳市深聯(lián)電路有限公司，廣東 深圳 518104）

在SFP光模塊PCB高速/高頻信號傳輸存在趨膚效應的條件下，分析了“鍍水金+鍍厚金”常規(guī)工藝信號傳輸線鍍覆鎳金對信號傳輸?shù)挠绊?，研究出“鍍厚?沉金”工藝，實現(xiàn)了信號傳輸線無鍍覆鎳金，有利于信號完整性控制，并保證了PCB長短金手指完整性良好（無殘缺、無殘留鍍金導線頭、無尖角等異常）。

SFP光模塊；長短印制插頭（金手指）；趨膚效應

1 前言

SFP（Small Form-factor Pluggables Transceiver）光模塊，是一種小型的可熱插拔的光學收發(fā)器，將千兆位電信號轉換為光信號，數(shù)據(jù)傳輸最大速率可達4.25 Gbps，主要應用于千兆以太網(wǎng)、千兆光通道、交換機接口、交換背板等通信領域。

SFP光模塊具有熱插拔功能和高速傳輸速率的特點。為了實現(xiàn)熱插拔功能，其插拔電接口于PCB上采用長短手指設計，并于手指上鍍厚金（金厚≥0.5 μm，鎳厚≥3.7 μm，以實現(xiàn)其具有防氧化、耐磨擦性能）。高速傳輸速率條件下信號傳輸線存在趨膚效應的影響，傳輸線金屬材質(zhì)不同，趨膚效應的程度不同。因而SFP光模塊PCB制作，如何降低產(chǎn)品在高速/高頻條件下趨膚效應的影響，同時實現(xiàn)于長短手指這種不規(guī)則手指上鍍厚金，并保證金手指形狀完整性良好（無殘缺、無殘留鍍金導線頭、無尖角等異常），成為PCB行業(yè)關注的技術問題。

2 長短金手指設計原理分析

SFP光模塊電接口采用特定的上電順序，可以通過預充電減少浪涌電流，從而避免熱插拔對器件的損壞。在熱插拔時設定一個上電與斷電順序，插入時按地、電源、信號的順序上電，拔出時按信號、電源、地的順序斷電。上電時，加電源先于信號線，可以在接入系統(tǒng)前對光模塊上的電容充電，有效地減少瞬態(tài)沖擊電流。電源引腳和信號引腳的通電和斷電過程中，光模塊都良好的接地，有利于靜電放電，消除電弧的影響。因而電接口引腳于PCB上設計為長短金手指，最長的是地，其次是電源，最短是信號。根據(jù)SFP光模塊協(xié)議，各電接口引腳PCB長短金手指功能定義如圖1所示。

圖1 PCB長短金手指圖

3 高速/高頻信號的趨膚效應

交變電流通過導體時，由于感應作用引起導體截面上電流分布不均勻，愈近導體表面電流密度越大。這種現(xiàn)象稱“趨膚效應”。趨膚效應使導體的有效電阻增加。頻率越高，趨膚效應越顯著。當頻率很高的電流通過導線時，導線內(nèi)部實際上電流很小,電流集中在臨近導線外表的一薄層，使導線通過交變電流的有效截面積減小，導線的電阻增大，導線電阻的增加，使它的損耗功率也增加。趨膚效應厚度計算公式如式（1）。

式中：δ——趨膚厚度

ω——角頻率（＝2πf）

μ——導體的絕對導磁率

ρ——導體的電阻率

以導體銅、金、鎳為例，在室溫條件下，隨著信號傳輸頻率的提高，其在導體內(nèi)傳輸厚度變小，具體如表1所示。

表1 信號傳輸頻率與趨膚效應厚度

同一頻率下，趨膚效應厚度越小，說明受趨膚效應的影響越大，從表1中可以看出，受趨膚效應影響的程度大小為：鎳＞銅＞金。

高速數(shù)字信號傳輸，其數(shù)據(jù)傳輸速率公式如式（2）～式（4）。

式中：S為數(shù)據(jù)傳輸速率；T為一個數(shù)字脈沖信號的寬度（全寬碼）或重復周期（歸零碼），單位為秒；N為一個碼元所取的離散值個數(shù)。通常N＝2K，K為二進制信息的位數(shù)，K＝log2N。N＝2時，S＝f，表示數(shù)據(jù)傳輸速率等于碼元脈沖的重復頻率。因而當光模塊數(shù)據(jù)傳輸速率為4.25 Gbps時，其頻率為4.25 GHz。因此高速信號傳輸亦存在趨膚效應，其趨膚效應厚度參考高頻信號。

4 “鍍水金+鍍厚金”常規(guī)工藝分析

4.1 制作流程

目前SFP光模塊PCB產(chǎn)品常規(guī)工藝為“鍍水金＋鍍厚金”工藝，即采用線路位圖形鍍水金（鍍薄金，且為純金）后于手指位鍍厚金的流程，以金作為抗蝕刻層進行堿性蝕刻，完成線路圖形制作。具體流程如圖2所示：

圖2 “鍍水金+鍍厚金”工藝制作流程圖

4.2 PCB信號傳輸線金屬層結構分析

為了抗蝕刻，所有線路位置須鍍水金，從而PCB產(chǎn)品信號傳輸線金屬層含有銅層、鎳層、金層，各金屬層結構如圖3所示：

圖3 PCB信號線各金屬層結構圖

各金屬層厚度及其電阻率如表2所示：

表2 PCB信號線各金屬層厚度及其電阻率

從表2中可以看出， PCB信號線各金屬層電阻率大小順序為：鎳＞金＞銅。

各金屬層及真空電磁率如表3所示：

表3 各介質(zhì)導磁率

從表3中可以看出， PCB信號線各金屬層導磁率大小順序為：鎳＞金＞銅。根據(jù)公式（1），導磁越大，趨膚厚度越小，趨膚效應影響越大。

4.3 金鎳層對信號傳輸?shù)挠绊懛治?/h3>

SFP光模塊PCB數(shù)據(jù)傳據(jù)速率越高，趨膚效應越明顯，信號傳輸?shù)臋M截面積越小。傳輸速率大于1 Gbps時，根據(jù)表1和表2中數(shù)據(jù)所示，信號將處理鎳層和金層中傳輸（主要是鎳層）。根據(jù)表1數(shù)據(jù)所示，同一頻率，在電阻率及導磁率綜合影響下，趨膚深度鎳為最小，趨膚效應的影響最大。

比銅更大的電阻率、相同頻率下更小趨膚深度，使得在鎳層中傳輸?shù)男盘柺艿礁蟮碾娮瑁嗟墓β蕮p耗。因而PCB傳輸線鍍水金的工藝，不利于產(chǎn)品信號完整性控制，傳輸速率越大，信號失真的風險就越大。

5 “鍍厚金+沉金”工藝研究

高速/高頻信號傳輸，在同一傳輸速率條件下，因銅具有較低的導磁率，趨膚深度比鎳大，受趨膚效應的影響更小，同時具有較低的電阻率，電阻更小，功率損耗低。因而高速/高頻信號處于銅層中傳輸，產(chǎn)品更有利于信號完整性控制，更有利于降低信號失真的風險。

為了避免信號傳輸線銅層上鍍覆鎳金，計劃采用只對焊接盤沉金、手指位鍍厚金（簡稱：鍍厚金+沉金）的工藝。該工藝存在著對鍍金引線清除過程中保證對不規(guī)則長短金手指完整性（無殘缺、無殘留鍍金導線頭、無尖角等異常）的困難，產(chǎn)品制作須對工藝制作流程及工具設計進行研究。

5.1 制作流程

為了保證金手指完整性，外層圖形采用包括選擇性沉金在內(nèi)共五次圖形轉移，具體流程如圖4所示。

圖4 “鍍厚金+沉金”工藝制作流程圖

5.2 關鍵圖形設計與制作

表3 鍍厚金+沉金工藝關鍵圖形設計與制作

圖5 外層圖形1

圖6 外層蝕刻1

圖7 外層圖形2

圖8 外層圖形3

圖9 外層圖形4

圖10 外層蝕刻2

圖11 外層圖形5

圖12 產(chǎn)品完整圖

圖13 金手指完整性圖

通過外層設計五次圖形轉移流程，保證了信號傳輸線無鍍覆鎳金，并實現(xiàn)了手指位鍍厚金和金手指形狀完整性良好（無殘缺、無殘留鍍金導線頭、無尖角等異常）。產(chǎn)品完整圖如圖12所示，金手指完整性圖13所示。

6 結論

SFP光模塊PCB在高速/高頻信號傳輸條件下，受趨膚效應的影響，頻率越高，趨膚效應越顯著，電阻越大，功率損耗越大，越影響信號完整性控制，信號失真的風險越大。信號傳輸線金屬材質(zhì)不同，受趨膚效應的影響不同，影響程度依次為：鎳＞銅＞金。因而在趨膚效應下，信號傳輸處于銅層中的“鍍厚金+沉金”工藝的產(chǎn)品比信號傳輸線處于主要處于鎳層中傳輸?shù)摹板兯?鍍厚金”工藝的產(chǎn)品電阻更小，功率損耗更低，更有利于信號完整性控制。

為使信號處于銅層中傳輸，須避免信號傳輸線鍍覆鎳金，通過制作流程及關健圖形的設計，實現(xiàn)了只對PCB焊接盤沉鎳金、手指位鍍厚金，并保證了金手指完整性良好（無殘缺、無殘留鍍金導線頭、無尖角等異常），成功實現(xiàn)了“鍍厚金+沉金”工藝的開發(fā)。

[1] 林金堵. 信號傳輸高頻化和高速數(shù)字化對PCB的挑戰(zhàn)(1)[J]. 印制電路信息, 2008,10:15-18.

A study to the fabrication process of PCB used in SFP optical module

AN Guo-yi YAN Lai-liang LI Chang-sheng WEN Ze-sheng

Under the condition of skin effect which exists in the transmission of high speed/high-frequency signal, this paper analyzes the effect of signal transmission line plated by Nickel-Gold to the signal transmission which is produced by conventional "Flash Gold + Hard Gold" technique, proposes a new technic "Hard Gold +Immersion Gold", fulf i lls no Nickel-Gold plating on signal transmission line, benef i ts the control of signal integrity as well as the appearance integrity of long/short gold fi nger(no defects, no residual gold-plating lead head, no acute corners or other abnormal results).

SFP optical module; long/short gold fi nger; skin effect

TN41 < class="emphasis_bold">文獻標識碼：A文章編號：

1009-0096（2012）08-0030-04

介紹安國義，營運總監(jiān)，技術中心主任，擁有多年的印制電路板工藝研發(fā)管理、工程管理、市場管理、生產(chǎn)管理經(jīng)驗。