摘要：降低信號的傳輸損耗對于保證高速PCB的電氣性能至關重要，文章采用矢量網絡分析儀分析了高速板材、銅箔類型、玻纖布類型、阻焊油墨、粗化藥水、表面處理工藝等材料及加工工藝的選擇對高速PCB的損耗性能的影響強弱，探討了如何降低高速PCB的插入損耗，可為高速PCB的選材和加工工藝設計提供參考。

關鍵詞：高速電路板；高速材料；加工工藝；插入損耗；信號完整性

0引言

隨著高速互聯鏈路信號傳輸速率的不斷提高，作為器件和信號傳輸的載體，印制電路板（PCB）的信號完整性對通信系統的電氣性能影響越來越突出。尤其是隨著10G和25G+產品的大規模商用，對PCB插入損耗（Insertion Loss）的監控是高速產品研發和量產過程中管控的重要指標。

對于高速PCB而言，在設計時需要考量材料的選擇及設計等是否滿足信號完整性要求，這就要求盡量減小信號的傳輸損耗。根據電磁場和微波理論，PCB傳輸損耗主要由介質損耗、導體損耗和輻射損耗三部分組成[1]。其中，介質損耗是指電場通過介質時，由于介質分子交替極化和晶格不斷碰撞而產生的熱損耗；導體損耗是由于導體不理想，存在損耗電阻，在電流通過時發熱而引起的損耗，其主要影響因素是導體的電阻、電流分布（趨膚效應）和導體的表面粗糙度；輻射損耗是微帶線場結構的半開放性所導致的電磁波輻射損耗，一般而言，這部分損耗很小。因此，對于高速PCB，信號傳輸損耗主要為介質損耗和導體損耗。其中，高速信號在傳輸過程中的介質損耗與材料的介電常數、損耗因子及傳輸頻率等因素有關，近似計算公式可表示為：其中：αd為信號的介質損耗，k為常數，f為傳輸頻率，tanδ為介質損耗因子，εr為材料的相對介電常數。而導體損耗主要包括趨膚效應導致的熱損耗和導體粗糙度導致的反射和疊加損耗兩方面，其中，趨膚效應導致的熱損耗隨傳輸頻率的增加而增大，而導體粗糙度越大，信號傳輸時產生的“駐波”和“反射”等越大，信號損耗越大[2]。因此，降低PCB的插入損耗主要通過以下途徑實現：①實現高密度布線，從而縮短信號傳輸距離，降低信號傳輸損失；②采用具有低損耗特性的PCB材料；③采用低粗糙度的銅箔，并在加工過程中降低工藝對粗糙度的影響。

PCB的高速化發展對PCB材料、設計以及加工工藝等提出了更高的要求，為了減小信號在傳輸過程中的介質損耗，業內在近些年開發推出了大量的低介電常數（Dk）/低損耗因子（Df）的覆銅板、半固化片材料和低損耗阻焊油墨等[3, 4]。同時，為了降低趨膚效應及銅箔粗糙度引起的導體損耗，在高速PCB中越來越多地采用低粗糙度銅箔，如RTF、VLP、HVLP等。另外，當PCB設計和材料等確定后，加工工藝的選擇亦會對高速PCB的損耗性能產生不可忽視的影響。

文章通過選用不同的PCB材料及加工工藝，采用矢量網絡分析儀綜合分析了高速板材、銅箔類型、玻纖布類型、阻焊油墨、粗化藥水及表面處理工藝等對高速PCB插入損耗特性的影響強弱，可為高速PCB的選材和加工工藝設計等提供參考。

1試驗方法

1.1 試驗材料及儀器

材料：低損耗覆銅板和半固化片，HTE、RTF和HVLP銅箔，低損耗阻焊油墨，低粗糙度藥水等。

測試儀器：阻抗和損耗采用矢量網絡分析儀測試（上升時間為22.3 ps，頻寬為20 GHz）。

1.2 試驗設計

試驗設計6層板，Top層、L3層和L5層為走線層，單端和差分信號線的阻抗分別設計為50 Ω和100 Ω，采用FD法測試插入損耗，TRL（Thru-Reflect-Line）方式進行校正。

試板分別選用不同的材料或加工工藝制作，從而評估材料或加工工藝等對PCB插入損耗的影響。

流程設計：開料→內層圖形→內AOI→棕化→層壓→鉆孔→等離子→沉銅→板鍍→鍍錫→背鉆→退錫→外層干膜→圖形電鍍→外層蝕刻→外AOI→阻焊→表面處理→阻抗測試→銑板→……

2結果與討論

2.1 高速材料的選擇對高速PCB損耗性能的影響

2.1.1 不同等級高速板材對高速PCB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[3]。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（具體參數見表1），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，其結果如圖2所示。由圖可知，對于差分帶狀線，8 GHz時X7、X8和X9材料的損耗分別為0.256 dB/cm、0.182 dB/cm和0.147 dB/cm，12.5 GHz時X7、X8和X9材料的損耗分別為0.342 dB/cm、0.256 dB/cm和0.202 dB/cm，在不同傳輸頻率下，X7材料比X8材料的插入損耗值大20%~28%，X8材料比X9材料的插入損耗值大18%~22%。因此，基板材料的選擇對PCB損耗性能影響極大。

2.1.2 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[5]，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）。圖3是不同類型銅箔切片和毛面SEM圖片，由圖可以看出，HVLP銅箔的毛面的表面形貌的起伏落差小于RTF和HTE銅箔，其粗糙度遠小于RTF和HTE銅箔。表2是三種銅箔采用光學輪廓儀測試的粗糙度結果，由表可知，HVLP銅箔的粗糙度小于RTF銅箔和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，其結果如表3所示，由表可知，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。

2.1.3 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）是日本日東紡織株式會社為PCB開發的低介電常數、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）[6]。

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[6]。

2.1.4 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[7]。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，其結果如圖5所示，由圖可知，對于外層差分線，未覆蓋阻焊油墨時在12.5 GHz的損耗值為0.155 dB/cm，覆蓋常規阻焊油墨后在12.5 GHz的損耗值為0.276 dB/cm，而覆蓋低損耗阻焊油墨后在12.5 GHz的損耗值為0.234 dB/cm，絲印常規阻焊油墨后線路損耗值增大約78%，且信號傳輸頻率越大，阻焊油墨對損耗的影響越大；同時，采用低損耗因子的阻焊油墨可以改善阻焊對外層線路損耗的影響，與常規阻焊油墨相比，低損耗油墨可使外層傳輸線的損耗值降低15%~20%。

除上述的高速材料組成對PCB損耗性能有影響外，同一材料的配本、規格也會導致損耗差異，如半固化片樹脂含量、玻纖規格的選取等亦會導致Df的變化，從而影響PCB損耗值。

2.2 加工工藝對高速PCB損耗性能的影響

2.2.1 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。

圖6和表5分別為是傳統藥水與低粗糙度藥水處理后銅面形貌和粗糙度測試結果，與傳統藥水相比，干膜前處理和層壓前處理采用低粗糙度藥水可以降低銅面粗糙度。圖7為經過兩種藥水處理后的差分微帶線損耗測試結果，由圖可知，采用低粗糙度藥水處理后的線路損耗比傳統粗化藥水的略低。在頻率為12.5 GHz時，采用傳統粗化藥水后（HVLP銅箔）的損耗值為0.401 dB/cm，而采用低粗糙度藥水處理后的損耗值為0.380 dB/cm，損耗降低了5.2%左右。另外，采用低粗糙度藥水制得的PCB熱應力及剝離強度等測試結果表明，PCB的可靠性滿足要求。

2.2.2 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，其結果如表6所示。由表可知，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。

表7為各金屬材料電阻率情況，由表可知銀的電阻率更小，因此沉銀工藝對微帶線損耗影響最?。浑m然鎳、金的電阻率小于錫，但由于其鍍層厚度相對較厚（如表8所示），因此沉金表面工藝對微帶線的信號損耗影響較大，而沉錫表面工藝鍍層厚度只有1 μm左右，因此其對信號損耗的影響略小于無鉛噴錫。

除上述加工工藝對損耗有影響外，背鉆設計及殘樁控制等對PCB損耗也有一定的影響，通過背鉆減少過孔的殘樁長度，可以顯著減少信號反射對于損耗測試的干擾，改善內層線路的損耗性能。

03結論

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。通過前文分析，可以得出以下結論：

（1）基板材料的選擇對PCB的損耗影響極大，在不同傳輸頻率下，不同等級材料之間的插入損耗值差異在15~30%左右；

（2）采用低粗糙度銅箔能顯著降低信號傳輸損耗，其中，搭配HVLP銅箔時損耗值比HTE銅箔小12~16%，比RTF銅箔損耗值小4~12%；

（3）與E-glass相比，采用NE-glass后損耗值可降低4%~22%，且信號傳輸頻率越高，NE-glass對損耗性能的改善越明顯；

（4）覆蓋阻焊油墨后外層線路損耗值增大約50%~70%，且信號頻率越大，阻焊油墨對損耗的影響越大；與常規阻焊油墨相比，采用低損耗油墨可使外層線路的損耗值降低10%~20%左右；

（5）采用低粗糙度藥水處理后的損耗值比傳統粗化藥水低5%左右，且PCB的可靠性滿足要求；

（6）不同表面工藝信號對損耗的影響強弱為：沉金＞無鉛噴錫＞沉錫＞OSP＞沉銀，與裸銅相比，不同表面工藝處理后微帶線損耗值增大1%~20%左右。