阻焊前处理及阻焊油墨对电路损耗影响的研究

邹佳祁 吴海辉 黄 玲

（胜宏科技（惠州）股份有限公司，广东 惠州 516211）

0 前言

随着5G时代的到来，信号传输的速度越来越快，印制电路板（PCB）对信号完整性（SI）的要求也越来越高。尤其在英特尔推出新的Eagle stream平台之后，对PCB带来了新的挑战。Eagle stream平台对插入损耗的测试增加了16 GHz要求，并且对极低损耗（Ultra-low loss）的材料外层微带线也提出了损耗的要求。众所周知，影响PCB信号完整性主要有四个因素，包括导体损耗、介质损耗、辐射损耗与漏泄损耗[1]，其中导体损耗和介质损耗是传输线上信号衰减的根本原因。PCB生产中的主要介质是覆铜层压板（CCL）和半固化片（PP），不同的覆铜层压板和半固化片具有不同的树脂和玻纤布，它们的介电常数（Dk）和损耗因子（Df）也不同，从而会影响信号的传输损耗。而导体的损耗主要是由于高速信号的趋肤效应导致的信号衰减[2]，对带状线来说，高速信号的传输损耗主要受到基材与线路表面粗糙度影响；对微带线来说，高速信号的传输损耗除了受到基材与线路表面粗糙度影响之外，还受到阻焊油墨与表面处理类型的影响[3]。鉴于此，本文设计了不同的损耗测试模块，其他条件相同的情况下，对比三种不同阻焊前处理对外层微带线插入损耗的影响。此外，本文还探究了几种低损耗油墨（lowDf油墨）与普通油墨的对外层微带线的插入损耗差异对比。

1 实验部分

1.1 实验材料

18 μm RTF（反向处理铜箔）、普通FR-4基板（生益，型号S1000H），半固化片（松下，型号R5775G）。板明超粗化BTH-2087A药水，DNE-23-8A药水，50%H2O2，H2SO4。阻焊油墨：太阳普通油墨A，太阳低Df油墨B，永胜泰低Df油墨C，南亚低Df油墨D，南亚低Df油墨E，炎墨低Df油墨F。实验所用的四层板压合叠构如表1所示。

表1 实验所用压合叠构的设计

1.2 实验设备

火山灰磨板机，东远半自动网印机。

1.3 测试方法

测试设备：网络分析仪（是德科技，型号N5225B）。

校准方法：E-cal校准。

测试软件：Delta_L3.0。

损耗测试方法：Delta_L 3.0测试法。

1.4 实验过程

如表2所示，选取制作完外层线路后的60块电路板分为十种方案分别进行编号，每种方案6块板。实验可以分两个步骤进行，第一个步骤使用方案1-6一共36块板，分三批（每批12块板）过三种不同的前处理，然后分别印刷三种对应的油墨；第二个步骤使用方案7-10一共24块板，同时过火山灰前处理，然后分别印刷不同的油墨。所有板子经表面处理（化金）与成型后，使用矢量网络分析仪对上述所有实验板进行微带线的插入损耗的测试。

表2 实验方案设计

2 分析与讨论

2.1 阻焊前处理对插入损耗的影响

图1与图2为太阳的普通油墨A使用三种不同阻焊前处理（对应实验方案1，3，5）对85 Ω与100 Ω微带线的L1层与L4层的影响曲线图，表3为三种前处理的SI数据表。从表3与图1可以看出，对于85 Ω微带线来说，中粗化稍优于火山灰磨板，优于超粗化处理，这一点对于L1层与L4层具有类似的规律，且L4层的损耗数值比L1层的更低，这是由于L4层介厚大于L1层，具有比L1层更低的介质损耗。在12.89 GHz时，火山灰粗化前处理相对于超粗化前处理损耗性能提升大于10%，中粗化前处理相对于超粗化前处理损耗性能提升大于12%。此外，从表3与图2可以看出，100 Ω微带线所得结果与85 Ω微带线结果类似，唯一有所区别的是，在12.89 GHz时，相对超粗化前处理，火山灰磨板与中粗化前处理损耗提升的百分比有所降低，火山灰磨板相对于超粗化损耗性能提升大于4%，中粗化前处理相对于超粗化前处理损耗性能提升大于5%。阻焊前处理影响损耗的原因可以归结为铜箔粗糙度的影响，而粗糙度主要影响信号的回波损耗，同时，由于趋肤效应影响到信号的插入损耗值，依据Hammerstad方程（式1）[4]，随着铜面粗糙度的增大，在信号处于高频段时，其损耗也将增大。

图1 85 Ω微带线不同前处理SI性能图

图2 100 Ω微带线不同前处理SI性能图

表3 三种前处理SI性能表

Hammerstad认为光滑导体因趋肤效应产生的信号衰减为αsr，粗糙面因趋肤效应产生的损耗可以用经验公式描述为光滑导体的损耗αc乘以该导体的传输损耗因子Ksr（见式1所示）。

式中的Ksr又被称为Hammerstad系数，直流情况下时，Ksr=1，并且Ksr随着频率增大而增大，且Ksr在高频下的最大值为2，其中Hammerstad系数（Ksr）与趋肤深度δ与导体表面粗糙度RMS的关系可以由式（2）所示。

实验中PCB经过三种不同的阻焊前处理，经过超粗化处理后铜箔的粗糙度较高，经过中粗化与火山灰处理后铜箔的粗糙度较低。因此，所得实验结果与Hammerstad方程是相符合的。

2.2 阻焊油墨对插入损耗的影响

图3与图4为六种不同阻焊油墨（对应实验方案3、4、7-10）对85 Ω与100 Ω微带线的L1层与L4层的影响曲线图，表4为六种不同油墨的85 Ω与100 Ω微带线的插入损耗的数据表。

图4 100 Ω微带线不同油墨SI性能图

从表4与图3可以看出，对于85 Ω微带线来说，南亚的低Df油墨D与E的性能接近且表现的最优（在12.89 GHz时，相对于普通油墨性能提升大于10%），其次是B与C（在12.89 GHz时，相对普通油墨A性能提升大于7%），最后为F（在12.89 GHz时，相对于普通油墨A性能提升仅大于3%）。

图3 85 Ω微带线不同油墨SI性能图

对于不同的油墨测试板来说，L4层具有与L1层相似的规律且损耗数值比L1层更低，这是由于L4层具有比L1层更低的介质损耗。此外，从表4与图4可以看出，100 Ω微带线所得结果与85 Ω微带线结果类似，唯一有所区别的是，几款低Df油墨的损耗表现相对L1层有了不同程度的提升。在12.89 GHz时，低Df油墨D与E相对于普通油墨性A性能提升大于12%，低Df油墨B与C相对于普通油墨A性能提升大于8%，低Df油墨F相对于普通油墨A性能提升大于4%。

表4 不同油墨SI性能表

油墨对损耗的影响可以被认为是介质损耗，而传输过程中的介质损耗可以由式（3）来表示[5]。

其中，αsr为介质损耗，k为常数，f为频率，εr为介电常数（Dk），tanδ为损耗因子（Df）。

由式3可知，介质损耗主要受到材料的Dk与Df的影响，低Df油墨具有比普通油墨更低的Dk、Df。因此，随着频率的升高，低Df油墨能表现出比普通油墨更低的损耗值。

3 结论

本文在M6G高速材料的基础上针对两种常见规格的微带线（85 Ω与100 Ω）与两种典型的介质厚度（76 μm与125 μm）做了不同阻焊前处理对损耗的影响、不同介电常数阻焊油墨对损耗的影响两项研究，所得结论如下。

（1）对比了三种不同的阻焊前处理对PCB外层线路损耗的影响，发现了中粗化的效果最优，其次是火山灰，最差的是超粗化。其中在12.89 GHz时，火山灰前处理相对于超粗化前处理性能提升大于4%，中粗化前处理相对于超粗化前处理性能提升大于5%。

（2）对比了普通油墨与低Df油墨的性能差异，发现了五款低Df油墨的损耗表现均优于普通油墨，其中南亚的两款低Df油墨D与E最优，在12.89 GHz时相对于普通油墨性能提升大于10%，其次是太阳低Df油墨B于永胜泰低Df油墨C，在12.89 GHz时相对于普通油墨性能提升大于7%，最后为炎墨低Df油墨F，在12.89 GHz时，相对于普通油墨性能提升仅大于3%。

（3）外层微带线的损耗主要受到铜箔粗糙度与阻焊油墨的影响，其中铜箔粗糙度越大，所得损耗的结果越大；阻焊油墨的介电常数与损耗因子越大，所得的损耗结果也越大。因此想要获得更低的损耗时，可以选择低粗糙度的铜箔处理与低介电常数的油墨。