1.6T高速传输光模块PCB阻抗研究

邹冬辉 王立刚 陶锦滨

（深圳市强达电路有限公司，广东 深圳 518000）

0 引言

随着5G 电子技术的快速发展和6G 技术的推进研发，光模块的传输速率在逐渐提高，对印制电路板（printed circuit board，PCB）的阻抗要求越来越严格，要求阻抗公差从10%缩小到8%再缩小到5%，这对于PCB阻抗制作而言提出了很大挑战。本文通过对1.6T（信号传输速率1.6 Tbit/s）高速传输光模块PCB 达到5%阻抗这一过程进行研究，为高速光模块阻抗控制提供参考。

1 阻抗相关概念

1.1 阻抗的特性

阻抗是表示元件性能或一段电路电性能的物理量，是在具有电阻、电感和电容的电路里，对电路中的电流所起的阻碍。阻抗是一个比例模型，在PCB 上当基材Dk不变时，其余参数（如线宽、间距、铜厚、介厚、阻焊涂覆等）等比例放大或缩小，其阻抗值不变，如图1 所示。了解阻抗比例模型，能更好地指导板厂选材，合理分配设计因子的比例，制作阻抗良率更高的阻抗板。等比例阻抗模型对比情况见表1。

表1 等比例阻抗模型对比

图1 阻抗模型

1.2 Dk模拟推理介绍

Polar Si9000 作为理想情景下的阻抗电磁场求解器，其模拟的介质视为分布均匀的材料，但实际上环绕在阻抗线周围的主要为树脂，即导线强磁场附近是Dk较低的树脂，成品反推出的材料Dk必然低于材料厂商的标定Dk值。因此，设计阻抗时需要反推Dk值，重新定义材料Dk值。

根据以往经验，反推出的Dk值的极差有大有小，其中106 玻纤布、1080 玻纤布的Dk极差大，玻纤扁平化或开纤处理的1078玻纤布等的Dk极差小。因此，为匹配1.6T 光模块5%阻抗，选材上优选玻纤扁平化或开纤处理后的材料。此外，将材料或图形旋转3°～10°，有利于提高光模块材料实际应用Dk的稳定性。

2 实验部分

2.1 材料选择与叠构设计

生产14 层1.6T 高速传输光模块印制板，进行5%阻抗公差技术研究。半固化片（prepreg，PP）材料使用扁平化或开纤玻纤布，铜箔选用低粗糙度铜箔。材料选用IT-988GSE 系列、建滔HVLP、RTF铜箔，叠构设计如图2所示。

图2 PCB叠构设计

2.2 排版设计

在制板尺寸520 mm×311 mm，设计6 单元图形，其中3 单元图形旋转5°，3 单元图形不旋转，面板（panel，PNL）长宽各留边42 mm、58 mm。

2.3 阻抗影响因素设计

（1）根据我司此前反推的IT-988GSE 系列实际Dk数据，设计应用Dk值=供应商Dk－0.6。

（2）计算介厚采用PNL 残铜率，准确计算以严格控制压合后PP厚度偏差。

（3）内层棕化造成相应线损铜损，计算半成品阻抗时可考虑加上线损铜损，以使成品铜厚、线宽更接近阻抗设计模拟中值，阻焊前处理采用磨板工艺，因此外层蚀刻后管控线宽与成品阻抗线线宽一致。

2.4 阻抗因素设计与过程管控

（1）板厚设计与误差控制见表2。

表2 开料、压合后板厚设计 单位：mm

（2）阻抗因子设计与误差控制见表3。

表3 阻抗因子设计与误差控制

2.5 工艺设计

1.6 T 高速传输光模块PCB 板工艺流程图如图3所示。

图3 工艺流程

2.6 过程数据收集

板厚、切片介厚、铜厚、线宽、半成品阻值过程测量数据，按2.4节过程管控参数管控，过程切片介厚按极差＜10 μm管控。

2.7 阻抗结果

阻焊后全测阻抗，实测阻抗值见表4，测量阻抗线合计108 根，阻抗达标102 根，阻抗良率为94.44%。

表4 实测成品阻值数据 单位：Ω

50 Ω 单端阻抗线、90 Ω 差分阻抗线的正态分布如图4 和图5 所示，50 Ω 单端阻抗线、90 Ω 差分阻抗线5%阻抗过程能力指数（complex process capability index，CPK）分别为0.59、0.60。

图4 50 Ω阻抗过程能力分布

图5 90 Ω阻抗过程能力分布

2.8 反推Dk值

2.8.1 显微镜观察

平磨PP，并用金相显微镜观察玻纤分布，IT-988GSEBS 1078 66%经向玻纤布宽度介于210～250 μm，间距介于220～250 μm；纬向玻纤布宽度为430～460 μm，纬向玻纤布致密分布无间隙，如图6所示。

图6 经纱、纬纱显微镜观察

2.8.2 图形不旋转、图形旋转5°对比反推Dk值

测量阻抗条阻值后打切片反推Dk值，阻抗线选择上下层次PP 一致的L3、L5、L10、L12 层，反推Dk值。反推不旋转图形、旋转图形5°Dk平均值分别为2.57、2.58，不旋转图形反推Dk数据的极差为0.29，图形旋转5°反推Dk数据的极差为0.15，见表5。

表5 反推材料Dk数据

（1）通过上述设计、工艺、品质等方面管控，按5%阻抗要求完成线宽76 μm 的1.6T 光模块板，阻抗良率为94.44%，CPK值约为0.6。

（2）反推Dk值与材料标定Dk值有差距，IT-988GSEBS 1078 66%反推Dk值约2.6，比标定Dk值3.2低约0.6。

（3）IT-988GSEBS 1078 66%反推Dk值极差仅为0.29，说明了玻纤扁平化有利于阻抗控制。

（4）图形旋转5°反推的介层Dk值极差为0.15，低于图形不旋转的反推Dk值极差0.29，可降低阻抗波动约1.4 Ω，说明图形旋转5°有利于阻抗控制。

3 结语

阻抗是一个比例模型，在不改变阻抗因子比例的情况下，阻抗设计尺寸越小，对于板厂制作的难度越大；在改变阻抗因子比例的情况下，可以通过线宽、铜厚、介厚的比例变换，制作对制程能力友好的阻抗设计。材料实际应用后Dk值与原材料供应商标定Dk值的差别较大，需要反推Dk值。阻抗设计需综合考虑线损铜损，有利于提高半成品阻抗设计精度。通过上述设计、工艺、品质等方面管控，在实际生产中，按5%阻抗公差管控完成1.6T光模块板制作。