阻焊油墨對(duì)印制電路板傳輸線信號(hào)損耗的影響

魏華，楊偉棟，武軍，張彥粉，郭鵬飛，孔真

（1.東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 東莞 523808；2.永發(fā)印務(wù)(東莞)有限公司，廣東 東莞 523821）

阻焊油墨是通過(guò)絲網(wǎng)印刷、凹版印刷或噴墨打印等方式印在印制電路板(PCB)表面非焊接部位，經(jīng)固化處理后形成阻焊油墨保護(hù)層，起到保護(hù)線路的作用。

隨著5G時(shí)代的到來(lái)，電子信息產(chǎn)品邁入了千兆赫茲(GHz)的時(shí)代，高速印制電路逐漸成為研究的熱點(diǎn)。信號(hào)傳輸?shù)牟粩嗉涌焓沟肞CB的信號(hào)傳輸過(guò)程中更容易出現(xiàn)反射、串?dāng)_等信號(hào)完整性問(wèn)題[1-3]。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)影響PCB信號(hào)完整性的因素進(jìn)行了研究，得出主要影響因素可分為設(shè)計(jì)、材料(板材、銅箔、玻纖搭配等)與制作工藝三個(gè)方面[4-7]。阻焊油墨作為PCB制作過(guò)程中不可或缺的材料，對(duì)PCB外層線路信號(hào)傳輸損耗也有較大的影響[8-9]。本研究通過(guò)在高速PCB中設(shè)計(jì)損耗測(cè)試模塊，研究對(duì)比阻焊油墨對(duì)微帶線信號(hào)傳輸損耗的影響，為PCB設(shè)計(jì)及阻焊油墨的選用提供一定的參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與設(shè)備

采用6種阻焊油墨，各自的生產(chǎn)廠家及性能見(jiàn)表1。采用M7和S7439這2種基材的PCB，它們的疊層和線路設(shè)計(jì)相同，外層微帶線阻抗都是85 Ω，M7基PCB的外層微帶線的線寬和線距分別為8.6 mil (1 mil ≈ 0.0254 mm)和5.4 mil，S7439基PCB的線寬和線距則分別為7.3 mil和6.7 mil。

表1 6種阻焊油墨的物理性能Table 1 Physical properties of six kinds of solder-resistant inks

主要設(shè)備：ATMAOE EW67TT雙臺(tái)式濕膜塞孔網(wǎng)印機(jī)，東遠(yuǎn)機(jī)械工業(yè)有限公司；GX51金相顯微鏡，奧林巴斯(中國(guó))有限公司；E5071C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，安捷倫科技(中國(guó))有限公司。

1.2 信號(hào)損耗測(cè)試模塊設(shè)計(jì)

圖1展示了PCB的疊層結(jié)構(gòu)，有4層導(dǎo)體層。導(dǎo)體層L1與L2之間、L3與L4之間的絕緣介質(zhì)層厚度均設(shè)計(jì)為100 μm，外層表面(即導(dǎo)體層L1和L4)設(shè)計(jì)差分線，差分線寬度為100 μm，長(zhǎng)度4 in(1 in ≈ 2.54 cm)和24 in兩種。絕緣介質(zhì)層由玻纖布和樹脂材料組成，玻纖布由玻璃纖維束交錯(cuò)編織而成，主要起支撐作用。為避免玻纖布交錯(cuò)對(duì)差分線信號(hào)傳輸串?dāng)_的影響，差分線與經(jīng)緯向玻纖布間呈10°角，并采用蛇形繞線排布設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖1 PCB的疊層結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Sketch showing the lamination structure of PCB

圖2 外層表面差分線設(shè)計(jì)示意圖Figure 2 Sketch showing the design of differential lines on outer layer

1.3 方法

如表2所示，利用絲印機(jī)將不同阻焊油墨印刷在M7和S7439基PCB表面，經(jīng)曝光顯影后烘烤1.5 h，備用。采用金相顯微鏡測(cè)量PCB上阻焊油墨的厚度；采用頻域法并借助矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)PCB的微帶線進(jìn)行插損測(cè)試和分析，測(cè)試頻率為0 ~ 20 GHz。先測(cè)4 in短差分線的損耗，再測(cè)24 in長(zhǎng)差分線的損耗，兩者的損耗相減，再除以20 in，即得差分線純走線上每英寸差分線的損耗。

表2 不同編號(hào)樣品的基材及其表面阻焊油墨的類型Table 2 Codes for the samples of different substrates and with different solder-resistant inks thereon

2 結(jié)果與討論

2.1 阻焊油墨厚度對(duì)信號(hào)損耗的影響

由圖3可知，M7基材上的阻焊油墨及微帶線表面的阻焊油墨均勻、平整。經(jīng)測(cè)量，印刷1次DSR-330 S50-99G油墨時(shí)，基材表面阻焊油墨的平均厚度為54.5 μm，線路表面阻焊油墨的厚度為21 μm。印刷2次DSR-330 S50-99G油墨時(shí)，基材表面阻焊油墨的平均厚度為81.5 μm，線路表面阻焊油墨的厚度為32 μm。可見(jiàn)在電路板表面印刷2次阻焊油墨時(shí)的厚度明顯大于印刷1次時(shí)，基材和線路表面的油墨厚度分別增大了27 μm和11 μm。

圖3 M7基PCB印刷DSR-330 S50-99G油墨后的截面金相圖像Figure 3 Cross-sectional metallographs of M7-based PCB after being printed with DSR-330 S50-99G ink

從圖4可知，印刷阻焊油墨后，PCB在相同頻率下的微帶線信號(hào)損耗增大，并且隨著頻率增大而增大。當(dāng)信號(hào)頻率分別為5、7.5、12.5和15 GHz時(shí)，印刷2次DSR-330 S50-99G油墨時(shí)的信號(hào)損耗絕對(duì)值比印刷1次時(shí)分別增大了0.030、0.041、0.077和0.099 dB/in。這說(shuō)明隨阻焊油墨厚度增大，微帶線信號(hào)損耗增大。

圖4 DSR-330 S50-99G油墨厚度對(duì)M7基PCB微帶線上信號(hào)損耗的影響Figure 4 Effect of thickness of DSR-330 S50-99G ink on insertion loss of microstrip line of M7-based PCB

從圖5可知，印刷1次PSR-4000 ME油墨時(shí)，S7439基PCB表面阻焊油墨的平均厚度為53.5 μm，線路表面阻焊油墨的厚度為20 μm。印刷2次PSR-4000 ME油墨時(shí)，S7439基PCB表面阻焊油墨的平均厚度為78.5 μm，線路表面阻焊油墨的厚度為34 μm，均大于印刷1次時(shí)。

圖5 M7基PCB印刷PSR-4000 ME油墨后的截面金相圖像Figure 5 Cross-sectional metallographs of M7-based PCB after being printed with PSR-4000 ME ink

如圖6所示，對(duì)以M7為基材的PCB表面印刷不同厚度的PSR-4000 ME阻焊油墨后，信號(hào)損耗的變化情況與印刷DSR-330 S50-99G油墨時(shí)相近。當(dāng)信號(hào)頻率分別為5、7.5、12.5和15 GHz時(shí)，印刷2次PSR-4000 ME阻焊油墨時(shí)信號(hào)損耗的絕對(duì)值比印刷1次時(shí)分別增大了0.018、0.027、0.070和0.095 dB/in。

圖6 PSR-4000 ME油墨厚度對(duì)M7基PCB微帶線上信號(hào)損耗的影響Figure 6 Effect of thickness of PSR-4000 ME ink on insertion loss of microstrip line of M7-based PCB

綜上所述，同一頻率下，隨著油墨厚度增大，PCB微帶線的信號(hào)損耗增大。油墨厚度相同時(shí)，隨著信號(hào)頻率的增大，PCB微帶線的信號(hào)損耗也增大。

2.2 阻焊油墨類型對(duì)PCB信號(hào)損耗的影響

從圖7可知，線寬疊層相同時(shí)，4種阻焊油墨對(duì)PCB信號(hào)損耗的影響程度排序?yàn)椋篜SR-2000 BL600 (C4) > PSR-4000 G23K(C3) > R-500 3R(C2) > PSR-4000 SN10(C1)。PSR-2000 BL600油墨的信號(hào)損耗最大，PSR-4000 SN10油墨的信號(hào)損耗最小。

圖7 S7439基PCB在覆蓋不同阻焊油墨后的信號(hào)損耗變化Figure 7 Variation of insertion loss of S7439-based PCB after being printed with different solder-resistant inks

根據(jù)傳輸線理論，傳輸線的介質(zhì)損耗與頻率(f)、介電常數(shù)(Dk)、損耗因子(Df)的關(guān)系可用式(1)[10]來(lái)表示。

由式(1)可見(jiàn)，介質(zhì)材料的Dk或Df越小，表層傳輸線的信號(hào)損耗越小。表1顯示樣品C1?C4表面阻焊油墨的Dk和Df是依次增大的，圖7的結(jié)果與之吻合。因此，為了減小表層傳輸線的信號(hào)損耗，應(yīng)選用Dk和Df較小的阻焊油墨。

3 結(jié)論

微帶線表面覆蓋阻焊油墨后，信號(hào)損耗會(huì)增大。阻焊油墨越厚，信號(hào)損耗越大。阻焊油墨的介電常數(shù)或介質(zhì)損耗因子越大，覆蓋該類型阻焊油墨后，PCB表面微帶線的信號(hào)損耗越大。

為了減少信號(hào)在微帶線上的傳輸損耗，獲得更好的信號(hào)完整性，可選用介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因子較小的阻焊油墨，且阻焊油墨印刷的厚度要盡可能小。