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摘要：阻焊前處理的選擇以及不同介電常數油墨的選擇，是影響通信類印制電路板信號完整性的一個比較重要的因素。文章研究了三種不同的阻焊前處理對電路板外層損耗的影響，并且比較了六款不同的介電常數的阻焊油墨對電路板外層電性能的影響。最后，分析了不同前處理以及不同介電常數油墨對電路板外層損耗的影響機理。
隨著5G時代的到來，信號傳輸的速度越來越快，印制電路板（PCB）對信號完整性（SI）的要求也越來越高。尤其在英特爾推出新的Eagle stream平臺之后，對PCB帶來了新的挑戰。Eagle stream平臺對插入損耗的測試增加了16 GHz要求，并且對極低損耗（Ultra-low loss）的材料外層微帶線也提出了損耗的要求。眾所周知，影響PCB信號完整性主要有四個因素，包括導體損耗、介質損耗、輻射損耗與漏泄損耗，其中導體損耗和介質損耗是傳輸線上信號衰減的根本原因。PCB生產中的主要介質是覆銅層壓板（CCL）和半固化片（PP），不同的覆銅層壓板和半固化片具有不同的樹脂和玻纖布，它們的介電常數（Dk）和損耗因子（Df）也不同，從而會影響信號的傳輸損耗。而導體的損耗主要是由于高速信號的趨膚效應導致的信號衰減，對帶狀線來說，高速信號的傳輸損耗主要受到基材與線路表面粗糙度影響；對微帶線來說，高速信號的傳輸損耗除了受到基材與線路表面粗糙度影響之外，還受到阻焊油墨與表面處理類型的影響。鑒于此，本文設計了不同的損耗測試模塊，其他條件相同的情況下，對比三種不同阻焊前處理對外層微帶線插入損耗的影響。此外，本文還探究了幾種低損耗油墨（low Df 油墨）與普通油墨的對外層微帶線的插入損耗差異對比。18μm RTF（反向處理銅箔）、普通FR-4基板（生益，型號S1000H），半固化片（松下，型號R5775G）。板明超粗化BTH-2087A藥水，DNE-23-8A藥水，50%H2O2，H2SO4。阻焊油墨：太陽普通油墨A，太陽低Df油墨B，永勝泰低Df油墨C，南亞低Df油墨D，南亞低Df油墨E，炎墨低Df油墨F。實驗所用的四層板壓合疊構如表1所示。
測試設備：網絡分析儀（是德科技，型號N5225B）。
如表2所示，選取制作完外層線路后的60塊電路板分為十種方案分別進行編號，每種方案6塊板。實驗可以分兩個步驟進行，第一個步驟使用方案1-6一共36塊板，分三批（每批12塊板）過三種不同的前處理，然后分別印刷三種對應的油墨；第二個步驟使用方案7-10一共24塊板，同時過火山灰前處理，然后分別印刷不同的油墨。所有板子經表面處理（化金）與成型后，使用矢量網絡分析儀對上述所有實驗板進行微帶線的插入損耗的測試。
圖1與圖2為太陽的普通油墨A使用三種不同阻焊前處理（對應實驗方案1，3，5）對85 Ω與100 Ω微帶線的L1層與L4層的影響曲線圖，表3為三種前處理的SI數據表。從表3與圖1可以看出，對于85 Ω微帶線來說，中粗化稍優于火山灰磨板，優于超粗化處理，這一點對于L1層與L4層具有類似的規律，且L4層的損耗數值比L1層的更低，這是由于L4層介厚大于L1層，具有比L1層更低的介質損耗。在12.89GHz時，火山灰粗化前處理相對于超粗化前處理損耗性能提升大于10%，中粗化前處理相對于超粗化前處理損耗性能提升大于12%。此外，從表3與圖2可以看出，100 Ω微帶線所得結果與85 Ω微帶線結果類似， 唯一有所區別的是，在12.89GHz時，相對超粗化前處理，火山灰磨板與中粗化前處理損耗提升的百分比有所降低，火山灰磨板相對于超粗化損耗性能提升大于4%，中粗化前處理相對于超粗化前處理損耗性能提升大于5%。阻焊前處理影響損耗的原因可以歸結為銅箔粗糙度的影響，而粗糙度主要影響信號的回波損耗，同時，由于趨膚效應影響到信號的插入損耗值，依據Hammerstad方程（式1），隨著銅面粗糙度的增大，在信號處于高頻段時，其損耗也將增大。
Hammerstad認為光滑導體因趨膚效應產生的信號衰減為αsr，粗糙面因趨膚效應產生的損耗可以用經驗公式描述為光滑導體的損耗αc乘以該導體的傳輸損耗因子Ksr（式1所示）。
式中的Ksr又被稱為Hammerstad系數，直流情況下時，Ksr=1，并且Ksr隨著頻率增大而增大，且Ksr在高頻下的最大值為2，其中Hammerstad系數（Ksr）與趨膚深度δ與導體表面粗糙度RMS的關系可以由式（2）所示。
實驗中PCB經過三種不同的阻焊前處理，經過超粗化處理后銅箔的粗糙度較高，經過中粗化與火山灰處理后銅箔的粗糙度較低。因此，所得實驗結果與Hammerstad方程是相符合的。
圖3與圖4為六種不同阻焊油墨（對應實驗方案3、4、7-10）對85 Ω與100 Ω微帶線的L1層與L4層的影響曲線圖，表4為六種不同油墨的85 Ω與100 Ω微帶線的插入損耗的數據表。
從表4與圖3可以看出，對于85 Ω微帶線來說，南亞的低Df油墨D與E的性能接近且表現的最優（在12.89GHz時，相對于普通油墨性能提升大于10%），其次是B與C（在12.89GHz時，相對普通油墨A性能提升大于7%），最后為F（在12.89GHz時，相對于普通油墨A性能提升僅大于3%）。
對于不同的油墨測試板來說，L4層具有與L1層相似的規律且損耗數值比L1層更低，這是由于L4層具有比L1層更低的介質損耗。此外，從表4與圖4可以看出，100 Ω微帶線所得結果與85 Ω微帶線結果類似， 唯一有所區別的是，幾款低Df油墨的損耗表現相對L1層有了不同程度的提升。在12.89GHz時，低Df油墨D與E相對于普通油墨性A性能提升大于12%，低Df油墨B與C相對于普通油墨A性能提升大于8%，低Df油墨F相對于普通油墨A性能提升大于4%。
油墨對損耗的影響可以被認為是介質損耗，而傳輸過程中的介質損耗可以由式（3）來表示。
其中，αsr為介質損耗，k為常數，f為頻率，εr為介電常數（Dk），tanδ為損耗因子（Df）。
由式3可知，介質損耗主要受到材料的Dk與Df的影響，低Df油墨具有比普通油墨更低的Dk、Df。因此，隨著頻率的升高，低Df油墨能表現出比普通油墨更低的損耗值。本文在M6G高速材料的基礎上針對兩種常見規格的微帶線（85 Ω與100 Ω）與兩種典型的介質厚度（76μm與125μm）做了不同阻焊前處理對損耗的影響、不同介電常數阻焊油墨對損耗的影響兩項研究，所得結論如下。
（1）對比了三種不同的阻焊前處理對PCB外層線路損耗的影響，發現了中粗化的效果最優，其次是火山灰，最差的是超粗化。其中在12.89GHz時，火山灰前處理相對于超粗化前處理性能提升大于4%，中粗化前處理相對于超粗化前處理性能提升大于5%。
（2）對比了普通油墨與低Df油墨的性能差異，發現了五款低Df油墨的損耗表現均優于普通油墨，其中南亞的兩款低Df油墨D與E最優，在12.89GHz時相對于普通油墨性能提升大于10%，其次是太陽低Df油墨B于永勝泰低Df油墨C，在12.89GHz時相對于普通油墨性能提升大于7%，最后為炎墨低Df油墨F，在12.89GHz時，相對于普通油墨性能提升僅大于3%。（3）外層微帶線的損耗主要受到銅箔粗糙度與阻焊油墨的影響，其中銅箔粗糙度越大，所得損耗的結果越大；阻焊油墨的介電常數與損耗因子越大，所得的損耗結果也越大。因此想要獲得更低的損耗時，可以選擇低粗糙度的銅箔處理與低介電常數的油墨。
鄒佳祁、吳海輝、黃玲：勝宏科技（惠州）股份有限公司
