內(nèi)層干膜前處理對(duì)插入損耗的影響

高冠正 房蘭霞

（上海美維科技有限公司，上海 201613）

0 引言

隨著高頻高速電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，印制電路板（printed circuit board，PCB）中信號(hào)傳輸過程更容易出現(xiàn)信號(hào)完整性問題，且頻率越高，傳輸速率越快，信號(hào)損耗越嚴(yán)重。如何降低信號(hào)在傳輸過程中的損耗，保證信號(hào)完整性，成為高頻高速PCB發(fā)展的挑戰(zhàn)。PCB中傳輸線插入損耗（插損）主要包括介質(zhì)損耗和導(dǎo)體損耗2個(gè)部分。介質(zhì)損耗由材料選型控制；對(duì)于導(dǎo)體損耗，隨著信號(hào)高速/高頻化，信號(hào)傳輸越來越集中于導(dǎo)線表層（趨膚效應(yīng)），如圖1和表1所示。

表1 趨膚深度與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖1 趨膚深度與頻率的關(guān)系

當(dāng)頻率達(dá)1 GHz時(shí)，信號(hào)在導(dǎo)線表面的傳輸厚度僅為2.1 μm；當(dāng)信號(hào)頻率提高到10 GHz 時(shí)，信號(hào)在導(dǎo)體表面的傳輸厚度為0.7 μm；在毫米波頻率（＞30 GHz），趨膚深度進(jìn)一步降低至0.4 μm 以下，信號(hào)傳輸基本上在粗糙度范圍內(nèi)進(jìn)行。信號(hào)在粗糙度范圍傳輸，傳輸信號(hào)的駐波和反射將越來越嚴(yán)重，并導(dǎo)致信號(hào)傳輸路徑變長(zhǎng)，損耗增加［1］。由于趨膚效應(yīng)的存在，高速PCB 產(chǎn)品如果繼續(xù)沿用常規(guī)銅箔，會(huì)導(dǎo)致隨著信號(hào)傳輸頻率增加，信號(hào)失真越發(fā)嚴(yán)重［2］。因此，當(dāng)前高速材料中低輪廓度甚至超低輪廓度的銅箔材料應(yīng)用越來越廣泛。

現(xiàn)有PCB 產(chǎn)品線路制作工藝制作過程中，對(duì)內(nèi)層線路的銅面粗化工藝將改變帶狀傳輸線的上表面粗糙度，從而影響帶狀線的信號(hào)傳輸，如內(nèi)層線路制作工藝，內(nèi)層需要經(jīng)過干膜前處理和棕化流程，經(jīng)過這2 個(gè)流程處理后，銅箔表面粗糙度會(huì)有一定程度的增加，所以降低導(dǎo)體損耗不僅要選用超低輪廓度的銅箔材料，還需要降低其加工后的銅面粗糙度。為解決這個(gè)問題，有些藥水廠商推出了低粗糙度層壓前處理藥水來代替常規(guī)棕化。對(duì)于常規(guī)棕化流程，內(nèi)層干膜前處理所造成的銅面粗糙度影響較小，可以忽略不計(jì)［3］；但在低粗糙度層壓前處理流程中，內(nèi)層干膜前處理的粗化程度是會(huì)對(duì)插損造成較大影響的。因此，本文研究在選定同一種低粗糙度層壓前處理方式的情況下，中粗化內(nèi)層干膜前處理與超粗化內(nèi)層干膜前處理對(duì)插損的影響。

1 研究背景

PCB 制作線路時(shí)，通常會(huì)對(duì)銅面進(jìn)行粗化處理，以增加干膜與銅面的結(jié)合力，這道工序即本文中所提到的內(nèi)層干膜前處理工序。壓合前為增加半固化片（prepreg，PP）與銅箔的結(jié)合力，提高PCB 的可靠性，也會(huì)對(duì)銅面進(jìn)行粗化處理，即常規(guī)棕化。按照以往常規(guī)制作流程，壓合前的常規(guī)棕化流程所造成的粗糙度可以覆蓋掉內(nèi)層干膜前處理所造成的粗化效果，如圖2所示。

圖2 常規(guī)棕化銅箔光面粗糙度（中/超粗化流程）

因此，內(nèi)層干膜前處理工序并不被考慮為影響插損的關(guān)鍵因素；但在低粗糙度層壓前處理甚至無(wú)微蝕量層壓前處理代替常規(guī)棕化的發(fā)展趨勢(shì)下，層壓前處理工序?qū)︺~面粗糙度的影響越來越小，內(nèi)層干膜前處理的粗化效果就幾乎決定了信號(hào)線表面最終粗糙度（Sz值），成為影響插損的顯著因素。本文選取了內(nèi)層線路制作常用的2 種干膜前處理方式來研究?jī)?nèi)層干膜前處理對(duì)插損的影響程度。

2 實(shí)驗(yàn)方案

本項(xiàng)目選擇2 種不同粗化效果的內(nèi)層干膜前處理方式，分別為中粗化和超粗化。2種干膜前處理方案的基礎(chǔ)信息見表2，高速材料選型基礎(chǔ)性能見表3。

表2 內(nèi)層干膜前處理方式

表3 高速材料基礎(chǔ)性能

信號(hào)線設(shè)計(jì)為帶狀線，其芯板厚度為100 μm，PP 厚度為60μm，單端匹配阻抗為（50±5）Ω，差分匹配阻抗（100±10）Ω。信號(hào)線疊構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 帶狀線疊構(gòu)設(shè)計(jì)

制作工序除內(nèi)層干膜前處理方式外，其余工序保持一致，制作流程如圖4所示。

圖4 制作流程

對(duì)插損測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)硫酸雙氧水體系的干膜前處理流程（中粗化）與有機(jī)酸體系的干膜前處理流程（超粗化）橫向?qū)Ρ?，研?種不同干膜前處理方式下插損的差異。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

制作過程中銅箔光面的粗糙度如圖5和表4所示，插損測(cè)試結(jié)果見表5及圖6。

表4 銅箔光面粗糙度單位：μm

表5 單端/差分設(shè)計(jì)插損測(cè)試結(jié)果

圖5 低微蝕量層壓前處理銅箔光面粗糙度（中/超粗化流程）

圖6 單端/差分設(shè)計(jì)插損測(cè)試結(jié)果對(duì)比

由圖6 可知：在采用低粗糙度層壓前處理的前提下，當(dāng)頻率≥30 GHz 時(shí)，采用中粗化內(nèi)層干膜前處理流程的PCB 產(chǎn)品插損性能要優(yōu)于超粗化內(nèi)層干膜前處理流程；在頻率30 GHz 時(shí)，與采用

超粗化內(nèi)層干膜前處理相比，采用中粗化內(nèi)層干膜前處理的PCB產(chǎn)品插損性能提升了9%左右。

4 結(jié)論

本文指出在低粗糙度層壓前處理流程中，內(nèi)層干膜前處理的粗化程度對(duì)PCB產(chǎn)品插損有影響，并通過中粗化（硫酸雙氧水體系）、超粗化（有機(jī)酸體系）2 種不同的內(nèi)層干膜前處理方式的PCB產(chǎn)品的插損結(jié)果進(jìn)行橫向比較，研究結(jié)果如下。

（1）基于本項(xiàng)目設(shè)計(jì)，當(dāng)頻率為30 GHz 時(shí)，中粗化內(nèi)層干膜前處理搭配低粗糙度層壓前處理的PCB 產(chǎn)品的插損相較于超粗化內(nèi)層干膜前處理搭配低粗糙度層壓前處理的PCB 產(chǎn)品插損性能提升了9%；在頻率＞30 GHz 時(shí)，2 種不同干膜前處理搭配低粗糙度層壓前處理插損的結(jié)果差異更加顯著。相較于超粗化內(nèi)層干膜前處理方式，中粗化內(nèi)層干膜前處理搭配低粗糙度層壓前處理可以更有效地提升產(chǎn)品的信號(hào)完整性。

（2）在層壓前處理的粗糙度越來越低和高頻高速應(yīng)用的大環(huán)境下，內(nèi)層干膜前處理的方式成為了進(jìn)一步提升信號(hào)完整性的主要因素，內(nèi)層干膜前處理所造成的粗糙度越低，對(duì)信號(hào)完整性的提升越大。除常見的中粗化與超粗化內(nèi)層干膜前處理之外，市面上有新開發(fā)出來的無(wú)粗化內(nèi)層干膜前處理藥水，理論上這種無(wú)粗化的內(nèi)層干膜前處理搭配低粗糙度層壓前處理可以更好地提升產(chǎn)品的信號(hào)完整性。