剛撓結(jié)合板介質(zhì)材料的插入損耗研究

李 培 曹方方 林睦群

（常熟東南相互電子有限公司，江蘇 蘇州 215500）

0 前言

插入損耗（insertion loss）是影響高速信號輸入/輸出的主要因素。某些平臺設(shè)計中清楚地指出PCB損耗的要求（見圖1）。在前期設(shè)計階段，設(shè)計人員需要有準(zhǔn)確的、有效率的插入損耗量測，以符合平臺的設(shè)計要求，因為平臺的主要成本來自PCB材料。近年來，隨著高速應(yīng)用變得更加普遍，使得PCB的成本控制更為嚴(yán)苛，這也增加了PCB材料選擇的限制條件。如果選擇的PCB材料性能過剩，會導(dǎo)致昂貴的過度設(shè)計，或是選擇的材料性能不足，增加平臺效能上的風(fēng)險，故插入損耗的量測可以對材料的選擇提供重要的參考依據(jù)。

1 插入損耗量測方法簡介

1.1 常用的四種量測插入損耗的方法

方法有：TRL、SET2DIL、2x-Thru、Delta-L。圖2為四種量測插入損耗方法的比較。

圖1 某平臺對PCB損耗的要求

圖2 四種量測方式比較

（1）TRL（Thru-Reflect-Line）是一個知名的去嵌入（de-embed）的量測方法，其被視為將測量參考平面從同軸連接器移動到PCB結(jié)構(gòu)的黃金參考資料。但此方法是基于在精確而復(fù)雜的校準(zhǔn)基礎(chǔ)上的，其測試效率低，因而當(dāng)前多用于實驗室研發(fā)。測試結(jié)構(gòu)圖見圖3所示。

圖3 TRL測試結(jié)構(gòu)

（2）單端TDR2差動插入損耗法（Single-Ended TDR2Differential Insertion Loss，簡稱SET2DIL）是應(yīng)用較普遍的簡化量測插入損耗的方法，其可用于批量板的監(jiān)控。但是缺乏校準(zhǔn)/去嵌入的能力，隨著頻率的升高，其測試精度不斷下降。

（3）2x-Thru使用2xthrough結(jié)構(gòu)的四端口去嵌入量測，其需要一個2xthrough結(jié)構(gòu)，需要專用的軟件計算，其應(yīng)用也不普遍。

（4）Delta-L方法使用兩個不同的路徑結(jié)構(gòu)，具有如圖4所示的穿孔帶狀線。經(jīng)過VNA或TDR/TDT量測，路徑A與B透過相減之間的插入損耗差異來消除穿孔殘段（Via Stub）的效應(yīng)，是線路長度（X1-X2）的損耗，因而可以計算單位長度損耗：dB/unit loss=[IL(A)-IL(B)]/（X1-X2）

圖4 Delta-L結(jié)構(gòu)

1.2 為什么選擇Delta-L方法

比較普遍的方法為SET2DIL和Delta-L方法，但SET2DIL因量測結(jié)果包含鉆孔效應(yīng)，此一量測結(jié)果誤差較其他方法略大，尤其當(dāng)頻率更高時，其結(jié)果差異更加顯著。Delta-L是一個簡單有效的測量插入損耗的方法，它能準(zhǔn)確測出損耗，節(jié)省了很多測試資源，并且不需要復(fù)雜的校準(zhǔn)及量測技巧。故本文量測插入損耗使用Delta-L方法。

2 剛撓結(jié)合板介質(zhì)材料插入損耗測試對比

2.1 測試材料型號及理論性能

測試材料型號及理論性能匯總見圖5所示。

2.2 測試基礎(chǔ)疊層

所有測試材料均基于圖6的基礎(chǔ)疊層變化。

圖5 材料型號與理論性能

圖6 基礎(chǔ)疊層

2.3 Delta-L 測試板設(shè)計

圖7為Delta-L測試板，其包含50.8 mm（2 in）、127 mm（5 in）及254 mm（10 in）線長；阻抗分別設(shè)計90 Ω及100 Ω。

圖7 Delta-L測試板設(shè)計

2.4 測試設(shè)備

本測試所使用的測試設(shè)備為安捷倫E5071C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（見圖8）。

2.5 測試數(shù)據(jù)及結(jié)論

具體參數(shù)、測試數(shù)據(jù)及結(jié)論等如下所述。

2.5.1 不同厚度及相同厚度不同玻纖半固化片的插入損耗（見圖9）

小結(jié)：（1）1067 RC66% 60 μm半固化片的插入損耗優(yōu)于1035 RC61% 50 μm半固化片；（2）相同厚度的50 μm半固化片，1067玻纖插入損耗稍優(yōu)于1035玻纖，但差異不大。

圖9 不同厚度半固化片損耗圖

2.5.2 相同厚度不同張數(shù)的半固化片插入損耗（見圖10）

圖10 相同厚度不同參數(shù)半固化片插入損耗圖

小結(jié)：（1）在8 GHz以下頻率范圍，一張80 μm半固化片與兩張40 μm半固化片插入損耗相當(dāng)；（2）超過8 GHz，2張40 μm半固化片插入損耗稍優(yōu)于1張80 μm半固化片。

2.5.3 不同型號覆蓋膜的插入損耗（見圖11）

小結(jié)：（1）膠厚20 μm的覆蓋膜插入損耗優(yōu)于膠厚15 μm覆蓋膜；（2）相同厚度的覆蓋膜，杜邦PI與達(dá)邁PI插入損耗相當(dāng)。

圖11 貼不同覆蓋膜插入損耗圖

2.5.4 貼合銀箔與不貼合銀箔插入損耗（見圖12）

圖12 貼合銀箔與不貼合銀箔插入損耗圖

小結(jié)：相同條件下，貼合銀箔以后的插入損耗更加嚴(yán)重。

2.5.5 一次防焊，黑白兩次防焊與黑白黑三次防焊插入損耗（見圖13）

圖13 一次防焊，黑白兩次防焊與黑白黑三次防焊插入損耗圖

小結(jié)：黑白兩次防焊插入損耗優(yōu)于黑白黑三次防焊插入損耗，多次防焊插入損耗均優(yōu)于一次防焊。

2.5.6 不同IR次數(shù)插入損耗（見圖14）

圖14 不同IR次數(shù)插入損耗圖

小結(jié)：（1）過IR對內(nèi)層信號線Stripline的插入損耗沒有影響；（2）外層信號線Microstrip過IR后插入損耗會減小。

2.5.7 測試圖形旋轉(zhuǎn)的插入損耗（見圖15）

圖15 線路圖形旋轉(zhuǎn)的插入損耗圖

小結(jié)：無論是內(nèi)層線路還是外層線路，圖形旋轉(zhuǎn)10°對插入損耗影響不大，可能是使用了較薄的扁平玻纖布所致。

2.5.8 外層不同型號銅箔的插入損耗（見圖16）

圖16 測試外層不同型號銅箔的插入損耗圖

小結(jié)：插入損耗表現(xiàn)由好到壞依次為HVLP（超低輪廊銅箔）、VLP（低輪廊銅箔）、HTE（高溫延展性電解銅箔），信號頻率越高差異越明顯。

2.5.9 內(nèi)外層不同阻抗插入損耗（見圖17）

圖17 不同阻抗插入損耗圖

小結(jié)：（1）單端信號線在15 GHz頻率以上時插入損耗測試值開始失真；（2）內(nèi)層Stripline的插入損耗優(yōu)于外層Microstrip。不同阻抗規(guī)格對插入損耗表現(xiàn)影響不大。

2.5.10 不同型號FCCL的插入損耗（見圖18）

（1）FCCL（撓性覆銅板）分別選取了斗山、臺虹和SK的常用產(chǎn)品；（2）基材PI的種類分別為Kaneka PI、KMD（Kaneka Modified PI）、UBE PI、SK PI；（3）其中斗山Kaneka的基板分別包含ED及HA銅；（4）測試不同F(xiàn)CCL在最高20 GHz下的插入損耗表現(xiàn)。

圖18 不同型號FCCL的插入損耗圖

小結(jié)：（1）頻率越高，HA銅的插入損耗表現(xiàn)優(yōu)于ED銅；（2）Kaneka Modified PI插入損耗表現(xiàn)優(yōu)于其他種類軟板，頻率越高越明顯；（3）除Modified PI軟板外，其余型號軟板插入損耗表現(xiàn)相當(dāng)。

3 計算成品介質(zhì)材料的耗散因子（Df）

3.1 有損線上的衰減

單位長度損耗（at表示）由兩部分組成，一部分是由導(dǎo)線串聯(lián)損耗引起的衰減（ac表示）見式（1）。

其中，w表示導(dǎo)線寬度（單位為mil），f表示正弦波頻率分量（單位為GHz），Z0表示傳輸線特性阻抗（單位為Ω），ac表示導(dǎo)體損耗（單位為dB/in）。

另一部分衰減與介質(zhì)材料并聯(lián)損耗有關(guān)（ad表示）見式（2）。

其中，f表示正弦波頻率（單位為GHz），tan（δ）表示耗散因子，εr表示介電常數(shù)，ad表示介質(zhì)損耗（單位為dB/in）。

即單位長度損耗：at=ac+ad。

3.2 理論計算損耗與實測損耗之差異

3.2.1 選取測試疊層之一的外層90 Ω信號線（阻抗試算見圖19）

為嵌入式微帶線傳輸結(jié)構(gòu)，介質(zhì)層為斗山DS-7402 DF50 1035 RC:61% low flow PP，半固化片的理論Df為0.016，理論εr值為3.8，阻抗實測值為90.89Ω。

圖19 阻抗試算圖

3.2.2 根據(jù)上述理論計算公式

可以計算出理論導(dǎo)體損耗ac、介質(zhì)損耗ad、總損耗at，明顯看出，理論損耗與實測損耗（Actual loss）存在很大差異（見圖20）。

圖20 理論與實測損失

3.2.3 為什么理論與實測損失差異如此之大

由于本例中外層微帶線傳輸?shù)慕橘|(zhì)層為low flow PP，是否為半固化片經(jīng)過熱固化后材料特性出現(xiàn)變化而導(dǎo)致的差異呢？理論上隨著信號頻率的升高，介質(zhì)材料引起衰減的增加速度要比導(dǎo)線引起衰減的增加速度快。故調(diào)整半固化片的Df值，將Df修改為0.016～0.038之間，再看理論插入損耗與實測值之差異（見圖21）。

圖21 調(diào)整半固化片的Df之后插入損耗

圖22 理論插入損耗與實測值圖線重合

小結(jié)：（1）圖中可以看出Df調(diào)整到0.037時的理論損失曲線更加接近實際的插入損耗；（2）將Df=0.037的理論插損數(shù)據(jù)與實測值進(jìn)行擬合，結(jié)果見圖22，其R-Sq的值為99.9%。說明調(diào)整Df后的理論插入損耗更加接近實測插入損耗值；（3）但嵌入式微帶線的傳輸損耗還應(yīng)考慮傳輸線表層阻焊油墨的影響，調(diào)整后的Df（0.037）同時也包含了阻焊的影響，故需驗證阻焊油墨對實際插入損耗的影響。

3.3 阻焊油墨對微帶線插入損耗的影響

3.3.1 圖23為相同的測試板印刷阻焊油墨前后的插入損耗數(shù)據(jù)

由前后數(shù)據(jù)對比可以計算出阻焊油墨對微帶線插入損耗的影響。

3.3.2 使用上述同樣的方法

將阻焊的理論Df值調(diào)整到0.008～0.02之間，畫出各理論插入損耗值與實際插入損耗值（圖中Actual Loss的曲線）的對比，詳見圖24。

3.3.3 從圖24中對比

阻焊油墨Df=0.01時的插入損耗與實際插入損耗值更加接近。其理論與實際插入損耗數(shù)據(jù)擬合（見圖25），其R-Sq的值為99.6%，說明成品阻焊油墨的Df更接近于0.01。

圖23 阻焊油墨的插入損耗數(shù)據(jù)

圖24 不同Df的阻焊理論與實際插入損耗圖

圖25 阻焊理論插損與實測插損圖線重合圖

3.4 成品半固化片介質(zhì)層的耗散因子（Df）

以上計算了包含阻焊油墨影響的成品介質(zhì)層Df為0.037，同樣計算出了成品阻焊油墨的Df為0.01，故可以計算出經(jīng)過熱壓后的半固化片的成品Df更加接近于0.027。

小結(jié)：以上方法可以簡單方便地計算出成品半固化片介質(zhì)層的實際Df值，可以看出經(jīng)過PCB制程后的成品Df（0.027）與廠商測試的原材料Df（0.016）之間存在著較大差異。

由此計算出的更接近實際的成品Df可以在設(shè)計前端更加準(zhǔn)確的估算傳輸線的插入損耗，對前端設(shè)計選擇合適材料提供更有價值的參考依據(jù)。

4 成品介質(zhì)材料耗散因子（Df）驗證

以上提供了一種計算成品介質(zhì)材料Df的方法，既有計算方式就需驗證所計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

如圖26，選取同樣的測試板，其帶狀線的傳輸介質(zhì)分別為斗山25 μm厚的軟板，其Df為0.005；斗山DS-7402 DF50 1035 RC:61% low flow半固化片，計算出的成品Df為0.027。

分別計算出兩種介質(zhì)層的介質(zhì)損耗ad、導(dǎo)體損耗ac、總損耗at，從圖27中可看出，用計算出的成品Df值得出的理論插入損耗值與實測插入損耗值已經(jīng)十分接近，原材料理論與實測插入損耗值的差異縮小了很多。

圖26 L7層帶狀線圖

圖27 調(diào)整后的理論與實測插入損耗圖

5 結(jié)論

本文使用Delta-L方法量測對比了常用的軟板材料的插入損耗表現(xiàn)，由這些插入損耗實測的對比結(jié)果可以為材料的選擇提供理論依據(jù)。

材料廠商測試提供的原材料的理論耗散因子（Df）與經(jīng)過PCB制程的實際耗散因子（Df）存在比較大的差異；根據(jù)插入損耗的實際量測值提供了一種可以計算成品介質(zhì)材料耗散因子（Df）的方法。

經(jīng)過驗證，所提供的介質(zhì)材料耗散因子（Df）的計算結(jié)果更加接近于實際成品介質(zhì)材料的耗散因子（Df），所計算出的理論插入損耗值接近于實測插入損耗值。