阻焊前處理及阻焊油墨對電路損耗影響的研究

鄒佳祁 吳海輝 黃 玲

（勝宏科技（惠州）股份有限公司，廣東 惠州 516211）

0 前言

隨著5G時代的到來，信號傳輸?shù)乃俣仍絹碓娇?，印制電路板（PCB）對信號完整性（SI）的要求也越來越高。尤其在英特爾推出新的Eagle stream平臺之后，對PCB帶來了新的挑戰(zhàn)。Eagle stream平臺對插入損耗的測試增加了16 GHz要求，并且對極低損耗（Ultra-low loss）的材料外層微帶線也提出了損耗的要求。眾所周知，影響PCB信號完整性主要有四個因素，包括導體損耗、介質(zhì)損耗、輻射損耗與漏泄損耗[1]，其中導體損耗和介質(zhì)損耗是傳輸線上信號衰減的根本原因。PCB生產(chǎn)中的主要介質(zhì)是覆銅層壓板（CCL）和半固化片（PP），不同的覆銅層壓板和半固化片具有不同的樹脂和玻纖布，它們的介電常數(shù)（Dk）和損耗因子（Df）也不同，從而會影響信號的傳輸損耗。而導體的損耗主要是由于高速信號的趨膚效應(yīng)導致的信號衰減[2]，對帶狀線來說，高速信號的傳輸損耗主要受到基材與線路表面粗糙度影響；對微帶線來說，高速信號的傳輸損耗除了受到基材與線路表面粗糙度影響之外，還受到阻焊油墨與表面處理類型的影響[3]。鑒于此，本文設(shè)計了不同的損耗測試模塊，其他條件相同的情況下，對比三種不同阻焊前處理對外層微帶線插入損耗的影響。此外，本文還探究了幾種低損耗油墨（lowDf油墨）與普通油墨的對外層微帶線的插入損耗差異對比。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

18 μm RTF（反向處理銅箔）、普通FR-4基板（生益，型號S1000H），半固化片（松下，型號R5775G）。板明超粗化BTH-2087A藥水，DNE-23-8A藥水，50%H2O2，H2SO4。阻焊油墨：太陽普通油墨A，太陽低Df油墨B，永勝泰低Df油墨C，南亞低Df油墨D，南亞低Df油墨E，炎墨低Df油墨F。實驗所用的四層板壓合疊構(gòu)如表1所示。

表1 實驗所用壓合疊構(gòu)的設(shè)計

1.2 實驗設(shè)備

火山灰磨板機，東遠半自動網(wǎng)印機。

1.3 測試方法

測試設(shè)備：網(wǎng)絡(luò)分析儀（是德科技，型號N5225B）。

校準方法：E-cal校準。

測試軟件：Delta_L3.0。

損耗測試方法：Delta_L 3.0測試法。

1.4 實驗過程

如表2所示，選取制作完外層線路后的60塊電路板分為十種方案分別進行編號，每種方案6塊板。實驗可以分兩個步驟進行，第一個步驟使用方案1-6一共36塊板，分三批（每批12塊板）過三種不同的前處理，然后分別印刷三種對應(yīng)的油墨；第二個步驟使用方案7-10一共24塊板，同時過火山灰前處理，然后分別印刷不同的油墨。所有板子經(jīng)表面處理（化金）與成型后，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對上述所有實驗板進行微帶線的插入損耗的測試。

表2 實驗方案設(shè)計

2 分析與討論

2.1 阻焊前處理對插入損耗的影響

圖1與圖2為太陽的普通油墨A使用三種不同阻焊前處理（對應(yīng)實驗方案1，3，5）對85 Ω與100 Ω微帶線的L1層與L4層的影響曲線圖，表3為三種前處理的SI數(shù)據(jù)表。從表3與圖1可以看出，對于85 Ω微帶線來說，中粗化稍優(yōu)于火山灰磨板，優(yōu)于超粗化處理，這一點對于L1層與L4層具有類似的規(guī)律，且L4層的損耗數(shù)值比L1層的更低，這是由于L4層介厚大于L1層，具有比L1層更低的介質(zhì)損耗。在12.89 GHz時，火山灰粗化前處理相對于超粗化前處理損耗性能提升大于10%，中粗化前處理相對于超粗化前處理損耗性能提升大于12%。此外，從表3與圖2可以看出，100 Ω微帶線所得結(jié)果與85 Ω微帶線結(jié)果類似，唯一有所區(qū)別的是，在12.89 GHz時，相對超粗化前處理，火山灰磨板與中粗化前處理損耗提升的百分比有所降低，火山灰磨板相對于超粗化損耗性能提升大于4%，中粗化前處理相對于超粗化前處理損耗性能提升大于5%。阻焊前處理影響損耗的原因可以歸結(jié)為銅箔粗糙度的影響，而粗糙度主要影響信號的回波損耗，同時，由于趨膚效應(yīng)影響到信號的插入損耗值，依據(jù)Hammerstad方程（式1）[4]，隨著銅面粗糙度的增大，在信號處于高頻段時，其損耗也將增大。

圖1 85 Ω微帶線不同前處理SI性能圖

圖2 100 Ω微帶線不同前處理SI性能圖

表3 三種前處理SI性能表

Hammerstad認為光滑導體因趨膚效應(yīng)產(chǎn)生的信號衰減為αsr，粗糙面因趨膚效應(yīng)產(chǎn)生的損耗可以用經(jīng)驗公式描述為光滑導體的損耗αc乘以該導體的傳輸損耗因子Ksr（見式1所示）。

式中的Ksr又被稱為Hammerstad系數(shù)，直流情況下時，Ksr=1，并且Ksr隨著頻率增大而增大，且Ksr在高頻下的最大值為2，其中Hammerstad系數(shù)（Ksr）與趨膚深度δ與導體表面粗糙度RMS的關(guān)系可以由式（2）所示。

實驗中PCB經(jīng)過三種不同的阻焊前處理，經(jīng)過超粗化處理后銅箔的粗糙度較高，經(jīng)過中粗化與火山灰處理后銅箔的粗糙度較低。因此，所得實驗結(jié)果與Hammerstad方程是相符合的。

2.2 阻焊油墨對插入損耗的影響

圖3與圖4為六種不同阻焊油墨（對應(yīng)實驗方案3、4、7-10）對85 Ω與100 Ω微帶線的L1層與L4層的影響曲線圖，表4為六種不同油墨的85 Ω與100 Ω微帶線的插入損耗的數(shù)據(jù)表。

圖4 100 Ω微帶線不同油墨SI性能圖

從表4與圖3可以看出，對于85 Ω微帶線來說，南亞的低Df油墨D與E的性能接近且表現(xiàn)的最優(yōu)（在12.89 GHz時，相對于普通油墨性能提升大于10%），其次是B與C（在12.89 GHz時，相對普通油墨A性能提升大于7%），最后為F（在12.89 GHz時，相對于普通油墨A性能提升僅大于3%）。

圖3 85 Ω微帶線不同油墨SI性能圖

對于不同的油墨測試板來說，L4層具有與L1層相似的規(guī)律且損耗數(shù)值比L1層更低，這是由于L4層具有比L1層更低的介質(zhì)損耗。此外，從表4與圖4可以看出，100 Ω微帶線所得結(jié)果與85 Ω微帶線結(jié)果類似，唯一有所區(qū)別的是，幾款低Df油墨的損耗表現(xiàn)相對L1層有了不同程度的提升。在12.89 GHz時，低Df油墨D與E相對于普通油墨性A性能提升大于12%，低Df油墨B與C相對于普通油墨A性能提升大于8%，低Df油墨F相對于普通油墨A性能提升大于4%。

表4 不同油墨SI性能表

油墨對損耗的影響可以被認為是介質(zhì)損耗，而傳輸過程中的介質(zhì)損耗可以由式（3）來表示[5]。

其中，αsr為介質(zhì)損耗，k為常數(shù)，f為頻率，εr為介電常數(shù)（Dk），tanδ為損耗因子（Df）。

由式3可知，介質(zhì)損耗主要受到材料的Dk與Df的影響，低Df油墨具有比普通油墨更低的Dk、Df。因此，隨著頻率的升高，低Df油墨能表現(xiàn)出比普通油墨更低的損耗值。

3 結(jié)論

本文在M6G高速材料的基礎(chǔ)上針對兩種常見規(guī)格的微帶線（85 Ω與100 Ω）與兩種典型的介質(zhì)厚度（76 μm與125 μm）做了不同阻焊前處理對損耗的影響、不同介電常數(shù)阻焊油墨對損耗的影響兩項研究，所得結(jié)論如下。

（1）對比了三種不同的阻焊前處理對PCB外層線路損耗的影響，發(fā)現(xiàn)了中粗化的效果最優(yōu)，其次是火山灰，最差的是超粗化。其中在12.89 GHz時，火山灰前處理相對于超粗化前處理性能提升大于4%，中粗化前處理相對于超粗化前處理性能提升大于5%。

（2）對比了普通油墨與低Df油墨的性能差異，發(fā)現(xiàn)了五款低Df油墨的損耗表現(xiàn)均優(yōu)于普通油墨，其中南亞的兩款低Df油墨D與E最優(yōu)，在12.89 GHz時相對于普通油墨性能提升大于10%，其次是太陽低Df油墨B于永勝泰低Df油墨C，在12.89 GHz時相對于普通油墨性能提升大于7%，最后為炎墨低Df油墨F，在12.89 GHz時，相對于普通油墨性能提升僅大于3%。

（3）外層微帶線的損耗主要受到銅箔粗糙度與阻焊油墨的影響，其中銅箔粗糙度越大，所得損耗的結(jié)果越大；阻焊油墨的介電常數(shù)與損耗因子越大，所得的損耗結(jié)果也越大。因此想要獲得更低的損耗時，可以選擇低粗糙度的銅箔處理與低介電常數(shù)的油墨。