不同因素對高速PCB損耗性能的影響：材料與工藝解析 - ibpcb

 常見問題     |      2021-11-24 17:32:02    |      愛彼電路

不同等級高速板材對高速線路板損耗性能的影響

高速產品對PCB有著高傳輸速率、低信號損耗的要求，而這些性能與PCB板材的介電常數和損耗因子密切相關。一般地，按損耗因子的高低，基板材料可分為Standard Loss（Df：0.015~0.020）、Mid Loss（Df：0.010~0.015）、Low Loss（Df：0.0065~0.01）、Very Low Loss（Df：0.003~0.0065）、Ultra Low Loss（Df：＜0.003）五個等級。為分析不同等級高速材料對PCB插入損耗的影響，選取了業內使用較多的三支材料：X7、X8和X9，在相同的疊層和阻抗設計時，采用FD法測試不同頻率時的插入損耗值，因此，基板材料的選擇對PCB損耗性能影響極大。

不同銅箔類型對高速PCB損耗性能的影響

隨著信號傳輸高速化和高頻化發展，趨膚效應對信號傳輸質量和信號完整性的影響越來越大，信號在導體中的傳輸厚度越來越薄，為減小信號傳輸損耗，高速PCB板材通常會搭配低粗糙度的銅箔。按粗糙度的不同，PCB常用的銅箔有低輪廓銅箔（HVLP銅箔）、反轉銅箔（RTF銅箔）和高延伸性銅箔（HTE銅箔）。由于RTF銅箔為反轉銅箔，其光面粗糙度大于毛面，而HTE銅箔則是光面粗糙度遠小于毛面。

為分析不同銅箔對損耗性能的影響差異，采用X6板材（Very Low Loss等級）分別搭配不同銅箔制得損耗性能測試板，而后采用FD法測試相應的損耗值，與HTE銅箔相比，HVLP銅箔的微帶線和帶狀線損耗比HTE銅箔小12~16%，差異明顯，采用HVLP銅箔能顯著降低信號傳輸損耗；與RTF銅箔相比，HVLP銅箔的微帶線損耗比RTF銅箔小4~8%，帶狀線損耗小8~12%。因此，對于高速PCB，在設計時通過合理搭配不同粗糙度的銅箔，可在一定程度上改善信號傳輸性能。

玻纖類型對高速PCB損耗性能的影響

PCB基材是由樹脂、玻纖、銅箔、填料等組合而成，基材的介電常數和損耗因子與其組成息息相關。為滿足PCB高速信號傳輸需求，需降低基材的介電常數和損耗因子，因此，近年來不斷推出低損耗的樹脂材料，此外，玻纖廠商也致力于研發低介電常數、低損耗因子的玻纖布，如高速基板中已大量使用的NE-玻纖布（NE-glass）低介電常數、低損耗因子的玻纖布。與E-glass相比，NE-glass介電常數和介質損耗大幅下降，其介電常數為4.4（1 MHz），損耗因子為0.0006（1 MHz)。

為分析E-glass和NE-glass在相同設計時的電性能差異，采用FD法分析了X6和X6N材料的插入損耗值，其結果如表4和圖4所示。由表可知，與E-glass相比，采用NE-glass可以在一定程度上降低信號損耗。對于差分帶狀線，E-glass和NE-glass在不同頻率下損耗值相差4%~12%左右；對于差分微帶線，E-glass和NE-glass在不同頻率下損耗值相差12%~22%左右。同時，信號傳輸頻率越高，NE-glass對插入損耗的改善越明顯。此外，采用NE-glass還可以減弱玻纖效應對信號傳輸的影響，有利于提升信號完整性。

不同阻焊油墨對高速PCB損耗性能的影響

一般而言，在高速PCB中使用的阻焊油墨的損耗因子比板材大得多，因此，對于高速PCB的外層線路，影響其信號傳輸損耗的因素除PCB的設計及材料的選擇外（板材、銅箔類型、玻纖類型等），阻焊油墨的選用也對外層線路損耗性能有著較大的影響。為改善高速PCB外層線路的信號傳輸性能，近年業內有研發推出低損耗的阻焊油墨。為分析常規油墨與低損耗油墨對外層傳輸線損耗的影響差異，采用低損耗板材制作差分微帶線，而后分別絲印兩種油墨并測試絲印前后線路損耗性能的變化，

銅箔粗化處理對高速PCB損耗性能的影響

PCB制作線路時，通常會對銅面進行粗化處理，以增加干膜（或濕膜）與銅面的結合力。同時，壓合前為增加PP與銅箔的結合力，提高PCB的可靠性，也會對銅面進行粗化處理。其中，線路制作時常用的粗化工藝有磨板或化學微蝕等，壓合前粗化一般為棕化。隨著信號高速化發展，基材所用銅箔一般為低粗糙度銅箔（VLP、HVLP等），但傳統粗化工藝會使銅箔粗糙度增加，從而引起導體損耗增加。為改善PCB制程中粗化處理對損耗性能的影響，藥水商開發了專門用于改善PCB損耗性能的低粗糙度粗化藥水，以降低銅箔粗化處理后的粗糙度。

表面工藝對高速PCB損耗的影響

眾所周知，裸銅本身的可焊性很好，但暴露在空氣后PCB表面的銅導體會迅速發生氧化，進而導致PCB性能的惡化，因此需要對銅面進行表面處理，以保證良好的可焊性及可靠性。但是，PCB進行表面處理后，阻焊開窗的微帶線損耗會發生變化，影響信號的傳輸性能。不同表面處理工藝的選用會對PCB導體損耗產生不同影響，對高速PCB而言，選擇表面處理工藝除考慮可焊性外，還應考慮其對信號損耗的影響。

為分析不同表面處理對PCB損耗性能的影響，采用相同的材料和設計制作得到PCB半成品，而后分別采用不同的表面處理工藝，而后測試不同表面處理的微帶線插入損耗值，在10 GHz和20 GHz時，沉金工藝后損耗值最大，沉銀工藝最小，與裸銅損耗值相比，10 GHz和20 GHz時沉金處理后損耗值分別增加19.32%和25.07%，而沉銀處理后損耗值分別增加2.12%和0.96%，且除沉銀和OSP外，其他表面工藝處理后單端微帶線的損耗值均比裸銅的高10%~25%左右，對線路損耗的影響較大。

高速PCB材料的選擇以及加工制作工藝對信號損耗特性有著至關重要的影響，且PCB板卡上信號傳輸速率越高，PCB損耗性能受材料和加工工藝的影響越大，通過選擇合適等級的材料，合理搭配銅箔、玻纖布類型、阻焊油墨等，并對加工工藝進行優選，可以獲得電性能符合要求的PCB。