失效分析论文：高速PCB损耗性能的影响分析

引言

随着高速互联链路信号传输速率的不断提高，作为器件和信号传输的载体，印制电路板（PCB）的信号完整性对通信系统的电气性能影响越来越突出。尤其是随着10G和25G+产品的大规模商用，对PCB插入损耗（Insertion Loss）的监控是高速产品研发和量产过程中管控的重要指标。

对于高速PCB而言，在设计时需要考量材料的选择及设计等是否满足信号完整性要求，这就要求尽量减小信号的传输损耗。根据电磁场和微波理论，PCB传输损耗主要由介质损耗、导体损耗和辐射损耗三部分组成[1]。其中，介质损耗是指电场通过介质时，由于介质分子交替极化和晶格不断碰撞而产生的热损耗；导体损耗是由于导体不理想，存在损耗电阻，在电流通过时发热而引起的损耗，其主要影响因素是导体的电阻、电流分布（趋肤效应）和导体的表面粗糙度；辐射损耗是微带线场结构的半开放性所导致的电磁波辐射损耗，一般而言，这部分损耗很小。因此，对于高速PCB，信号传输损耗主要为介质损耗和导体损耗。其中，高速信号在传输过程中的介质损耗与材料的介电常数、损耗因子及传输频率等因素有关，近似计算公式可表示为

：其中：αd为信号的介质损耗，k为常数，f为传输频率，tanδ为介质损耗因子，εr为材料的相对介电常数。而导体损耗主要包括趋肤效应导致的热损耗和导体粗糙度导致的反射和叠加损耗两方面，其中，趋肤效应导致的热损耗随传输频率的增加而增大，而导体粗糙度越大，信号传输时产生的“驻波”和“反射”等越大，信号损耗越大[2]。因此，降低PCB的插入损耗主要通过以下途径实现：①实现高密度布线，从而缩短信号传输距离，降低信号传输损失；②采用具有低损耗特性的PCB材料；③采用低粗糙度的铜箔，并在加工过程中降低工艺对粗糙度的影响。

PCB的高速化发展对PCB材料、设计以及加工工艺等提出了更高的要求，为了减小信号在传输过程中的介质损耗，业内在近些年开发推出了大量的低介电常数（Dk）/低损耗因子（Df）的覆铜板、半固化片材料和低损耗阻焊油墨等[3, 4]。同时，为了降低趋肤效应及铜箔粗糙度引起的导体损耗，在高速PCB中越来越多地采用低粗糙度铜箔，如RTF、VLP、HVLP等。另外，当PCB设计和材料等确定后，加工工艺的选择亦会对高速PCB的损耗性能产生不可忽视的影响。

文章通过选用不同的PCB材料及加工工艺，采用矢量网络分析仪综合分析了高速板材、铜箔类型、玻纤布类型、阻焊油墨、粗化药水及表面处理工艺等对高速PCB插入损耗特性的影响强弱，可为高速PCB的选材和加工工艺设计等提供参考。

1、试验方法

1.1 试验材料及仪器

材料：低损耗覆铜板和半固化片，HTE、RTF和HVLP铜箔，低损耗阻焊油墨，低粗糙度药水等。

测试仪器：阻抗和损耗采用矢量网络分析仪测试（上升时间为22.3 ps，频宽为20 GHz）。

1.2 试验设计

试验设计6层板，Top层、L3层和L5层为走线层，单端和差分信号线的阻抗分别设计为50 Ω和100 Ω，采用FD法测试插入损耗，TRL（Thru-Reflect-Line）方式进行校正。

试板分别选用不同的材料或加工工艺制作，从而评估材料或加工工艺等对PCB插入损耗的影响。

流程设计：开料→内层图形→内AOI→棕化→层压→钻孔→等离子→沉铜→板镀→镀锡→背钻→退锡→外层干膜→图形电镀→外层蚀刻→外AOI→阻焊→表面处理→阻抗测试→铣板→……

2、结果与讨论

2.1 高速材料的选择对高速PCB损耗性能的影响

2.1.1 不同等级高速板材对高速PCB损耗性能的影响

高速产品对PCB有着高传输速率、低信号损耗的要求，而这些性能与PCB板材的介电常数和损耗因子密切相关。一般地，按损耗因子的高低，基板材料可分为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）五个等级[3]。为分析不同等级高速材料对PCB插入损耗的影响，选取了业内使用较多的三支材料：X7、X8和X9（具体参数见表1），在相同的叠层和阻抗设计时，采用FD法测试不同频率时的插入损耗值，其结果如图2所示。由图可知，对于差分带状线，8 GHz时X7、X8和X9材料的损耗分别为0.256 dB/cm、0.182 dB/cm和0.147 dB/cm，12.5 GHz时X7、X8和X9材料的损耗分别为0.342 dB/cm、0.256 dB/cm和0.202 dB/cm，在不同传输频率下，X7材料比X8材料的插入损耗值大20%~28%，X8材料比X9材料的插入损耗值大18%~22%。因此，基板材料的选择对PCB损耗性能影响极大。

2.1.2 不同铜箔类型对高速PCB损耗性能的影响

随着信号传输高速化和高频化发展，趋肤效应对信号传输质量和信号完整性的影响越来越大，信号在导体中的传输厚度越来越薄[5]，为减小信号传输损耗，高速PCB板材通常会搭配低粗糙度的铜箔。按粗糙度的不同，PCB常用的铜箔有低轮廓铜箔（HVLP铜箔）、反转铜箔（RTF铜箔）和高延伸性铜箔（HTE铜箔）。图3是不同类型铜箔切片和毛面SEM图片，由图可以看出，HVLP铜箔的毛面的表面形貌的起伏落差小于RTF和HTE铜箔，其粗糙度远小于RTF和HTE铜箔。表2是三种铜箔采用光学轮廓仪测试的粗糙度结果，由表可知，HVLP铜箔的粗糙度小于RTF铜箔和HTE铜箔。由于RTF铜箔为反转铜箔，其光面粗糙度大于毛面，而HTE铜箔则是光面粗糙度远小于毛面。