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常见问题

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高速线路板损耗性能的影响
2021-11-26
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随着10G和25G+产品的大规模商用,对PCB插入损耗的监控是高速产品研发和量产过程中管控的重要指标。通过选用不同的PCB材料及PCB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。

一,试验方法

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)。

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→成型→测试→铣板→FQC

二,结果与讨论

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(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。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,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,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。

三支低损耗材料特性参数图


2.玻纤类型对高速PCB损耗性能的影响
PCB基材是由树脂、玻纤、铜箔、填料等组合而成,基材的介电常数和损耗因子与其组成息息相关。为满足PCB高速信号传输需求,需降低基材的介电常数和损耗因子,因此,近年来不断推出低损耗的树脂材料,此外,玻纤厂商也致力于研发低介电常数、低损耗因子的玻纤布,如高速基板中已大量使用的NE-玻纤布(NE-glass)是PCB的低介电常数、低损耗因子的玻纤布。与E-glass相比,NE-glass介电常数和介质损耗大幅下降,其介电常数为4.4(1 MHz),损耗因子为0.0006(1 MHz)。

3.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,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)。

4.铜箔粗化处理对高速PCB损耗性能的影响
PCB制作线路时,通常会对铜面进行粗化处理,以增加干膜(或湿膜)与铜面的结合力。同时,压合前为增加PP与铜箔的结合力,提高PCB的可靠性,也会对铜面进行粗化处理。其中,线路制作时常用的粗化工艺有磨板或化学微蚀等,压合前粗化一般为棕化。随着信号高速化发展,基材所用铜箔一般为低粗糙度铜箔(VLP、HVLP等),但传统粗化工艺会使铜箔粗糙度增加,从而引起导体损耗增加。为改善PCB制程中粗化处理对损耗性能的影响,药水商开发了专门用于改善PCB损耗性能的低粗糙度粗化药水,以降低铜箔粗化处理后的粗糙度。

5.不同阻焊油墨对高速PCB损耗性能的影响
在高速PCB中使用的阻焊油墨的损耗因子比板材大得多,因此,对于高速PCB的外层线路,影响其信号传输损耗的因素除PCB的设计及材料的选择外(板材、铜箔类型、玻纤类型等),阻焊油墨的选用也对外层线路损耗性能有着较大的影响。为改善高速PCB外层线路的信号传输性能,近年业内有研发推出低损耗的阻焊油墨。为分析常规油墨与低损耗油墨对外层传输线损耗的影响差异,采用低损耗板材制作差分微带线,而后分别丝印两种油墨并测试丝印前后线路损耗性能的变化。

6.表面工艺对高速PCB损耗的影响
众所周知,裸铜本身的可焊性很好,但暴露在空气后PCB表面的铜导体会迅速发生氧化,进而导致PCB性能的恶化,因此需要对铜面进行表面处理,以保证良好的可焊性及可靠性。但是,PCB进行表面处理后,阻焊开窗的微带线损耗会发生变化,影响信号的传输性能。不同表面处理工艺的选用会对PCB导体损耗产生不同影响,对高速PCB而言,选择表面处理工艺除考虑可焊性外,还应考虑其对信号损耗的影响。

除上述加工工艺对损耗有影响外,背钻设计及残桩控制等对PCB损耗也有一定的影响,通过背钻减少过孔的残桩长度,可以显著减少信号反射对于损耗测试的干扰,改善内层线路的损耗性能。

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