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表面处理工艺对宽带PCB损耗的影响
2020-09-23
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表面处理对PCB电路加工是非常必要的。它不仅能够为元件焊接提供光滑可焊的表面,同时也为PCB的铜导体提供了保护。在没有表面处理保护的情况下,暴露于环境中的PCB铜导体会迅速氧化和变坏,进而导致电路性能恶化。然而,PCB上增加的表面处理也意味着电路损耗会增加。不同表面处理工艺的选用会对PCB的导体损耗产生不同影响,特别是对宽带、高频电路更加明显。为更好理解表面处理对损耗性能的影响,基于不同电路材料和应用不同表面处理的情况下加工了多组传输线进行对比。
不管是否使用表面处理,PCB电路的损耗通常都会随着频率的升高而增大。电路设计者在诸如微带线、带状线或接地共面波导等各类微波传输线上测量的得到损耗主要来源于PCB上各类信号损耗的总和,其中包括导体损耗、介质损耗、辐射损耗和泄露损耗等,它们共同组成了插入损耗。电路的设计也会对损耗产生影响,传输线、电路结点和元件焊接点等的良好的阻抗匹配可减小信号的反射功率从而降低损耗。该反射功率也可测量电路的回波损耗得到。
铜是一种良导体,使用铜的传输线和缆线具有较低的插入损耗。但PCB介质层上的铜不能始终保持最为平整和光滑的表面,特别是为小型元件表贴器件如焊球矩阵封装(BGA)或表贴封装(SMT)等。表面处理工艺能够为小型元件的安装提供非常光滑的贴装表面,并能为阻止铜氧化提供长期的保护。某些表面处理还可有效保护多层电路中实现层间电连接的电镀通孔(PTHs)。但是,大部分PCB表面处理的使用也会产生一定的代价,不同程度的增加插入损耗。这主要取决于电路的工作频率和其他的一些因素,包括介质厚度、不同的传输线技术、电路的布线和表面处理对电路影响的方式。
大部分PCB表面处理的导电性都比PCB介质表面的铜薄差,特别在高频频段将比铜产生更多的损耗。银是一个例外,它是一种良导体但价格昂贵,作为表面处理通常是非常薄的一层。PCB导体损耗和频率相关主要是因为RF电流在导体中的传输方式和频率有关。由于趋肤效应,在低频段RF电流的传输占用导体的大部分;而在高频段,RF电流将沿着导体的表面传输,仅仅占用导体的外表面。在高频段由于电流仅占用导体的很少一部分从而导致导体损耗上升。表面处理对高频段PCB的插入损耗将产生更大的影响。
表面处理对PCB插入损耗的影响也依赖于传输线技术。例如,对于微带线,在导体边缘具有很高的电流密度,表面处理对导体损耗将产生重要影响。而对于接地共面波导电路,电流密度主要分布在地线-信号线-地线的四个边缘面,表面处理对导体损耗将产生更显著的影响。


表面处理的选用

对于高频电路有许多不同的表面处理工艺可供选择,包括化学镍金(ENIG)、有机保焊膜(OSP)、化学镀镍、化学镀钯、浸金(ENIPIG) 涂和防焊油墨等。例如,化学镍金ENIG就是在PCB铜导体表面先电镀镍后电镀金,使镍作为铜和金的中间层。金是非常好的良导体,但薄薄的一层金会在当元件焊接到PCB传输线或导线上时,被吸收到焊接点而消失。ENIG工艺使用的材料成本昂贵,但其符合RoHS标准并能为多层电路组装中的PTHs提供良好的保护而广泛使用。


有机保焊膜作为表面处理工艺是一种广受欢迎的绿色环保的无铅工艺,它能为元件的焊接提供极其光滑的安装表面。这种表面处理方法是通过化学浴法实现,成本低廉,但它不利于对PTH的保护。在评估表面处理工艺可靠性时也无法测量表面处理的厚度。此外,即使最佳环境下OSP的使用寿命可以延长,但OSP通常也是作为短暂的而非持久、最终的表面处理工艺。防焊油墨是在铜导线表面覆盖提供保护的聚合物材料,其可以防止非预期的焊锡连接和电路短接。


如何从PCB导体损耗和插入损耗的角度来比较不同种类的表面处理呢?在相同的PCB层压板上使用不同的表面处理加工了不同种类的传输线电路,通过测量和电脑仿真可以比较不同表面处理对插入损耗的影响。例如,基于罗杰斯公司高频电路板材RO4003C上设计加工了微带线和接地共面波导传输线,测量结果表明裸铜微带线的损耗明显低于使用ENIG表面处理的微带线。同时,测量结果也表明裸铜接地共面波导的损耗也明显低于使用ENIG的接地共面波导。


在不同厚度的(6.6, 10.0和 30.0 mil)罗杰斯RO4350B层压板上分别加工的传输线电路进行测试比较发现,电路总的插入损耗会随着厚度的增加而减小。对于较薄的电路导体损耗占主导地位。对于表面处理的评估,其主要增加了PCB的导体损耗。


在表面处理的评估测试和仿真过程中也使用了另一种电路材料进行设计加工微带线电路,即5mil厚、压延铜的罗杰斯RT/duroid6002电路板材料。在40GHz范围内测量发现使用ENIG的微带线电路的导体损耗比裸铜微带线电路的损耗明显更高。然而使用沉银的表面处理工艺的相同材料相同电路,即使测量频率上升到100GHz(使用差分测试方法),其微带线电路的导体损耗和裸铜微带线的导体损耗差别很小。OSP表面处理也有相似结果,即使在100GHz时其差别也非常小。对使用防焊油墨的比较,裸铜结构的微带线电路导体损耗比使用防焊油墨的微带线电路的导体损耗约低。


简言之,对于微带线和接地共面波导电路,使用裸铜结构是具有最低的导体损耗。然而加工稳定可靠的裸铜结构PCB是不实际的,使用PCB表面处理工艺则可以提供长期必要的保护。通过测量和仿真可以发现,不同PCB表面处理的影响是不同的,某些表面处理的损耗会比其他的低。通过高达110GHz范围内的高频PCB电路测量表明,电路导体损耗从低到高依次为裸铜结构、浸锡、ENIPIG、ENIG。