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阻焊油墨对高速PCB阻抗和损耗影响研究

摘要


阻抗匹配和降低传输线损耗是高速PCB重要指标,而阻焊层作为PCB的重要组成部分,其对外层传输线的阻抗和损耗均有较大的影响。对于高速PCB设计和制造而言,了解阻焊层对阻抗、损耗的影响程度以及如何减少阻焊层对PCB电性能的影响有重要意义。本文对比分析了无阻焊和覆盖阻焊油墨前后PCB电性能变化,并重点分析了常规阻焊油墨和低介电常数/低损耗因子阻焊油墨对外层传输线阻抗和损耗的影响,可为高速PCB设计和阻焊油墨的选用提供参考。

1 前言


近年来,电子产品不断朝着高密度化、多功能化及信号传输高频化、高速化方向发展,目前,骨干网信号传输速率已高达100 Gbps,相应地单通道传输速率也高达10 Gbps甚至25 Gbps,且信号传输高速化仍保持着迅猛的发展趋势。信号传输的高速化发展使得信号传输过程中更容易出现反射、串扰等信号完整性问题,且传输速率越快,信号损耗越大,如何降低信号在传输过程中的损耗、保证信号完整性是高速PCB发展中面临的巨大挑战。

众所周知,高速PCB的关键指标包括传输线损耗、阻抗匹配及时延一致性,而传输线损耗又可分为介质损耗、导体损耗和辐射损耗[1],其中,介质损耗主要取决于PCB板材的玻纤和树脂等,导体损耗主要受“趋肤效应”和导体表面粗糙度的影响。因此,基于高速PCB的发展要求,对高速PCB材料的研发和应用,关注的重点也在PCB板材,主要包括低损耗因子的树脂体系、低损耗的玻纤布(开纤布)、低粗糙度铜箔等。对于高速材料,其介电常数和损耗因子是材料性能高低的重要评价指标。介电常数又称电容率或相对电容率,是表征电介质或绝缘材料电性能的一个重要数据,介电常数越小绝缘性越好。对于信号传输而言,信号的传输速度是由光速和绝缘层的介电常数所决定的,介电常数越大则信号传输速度越慢。损耗因子是介质电能损耗或绝缘材料信号衰减能力的表征物理量,Df越高,介质电导和极化的滞后效应越厉害,电能或信号的损失就越多[2]。目前,常见板材和阻焊油墨的介电常数和损耗因子如表1所示,由表可知,常规阻焊油墨的损耗因子远大于高速板材。

阻焊油墨对高速PCB阻抗和损耗影响研究

因此,影响信号传输质量的主要因素除了PCB的设计及材料的选型(板材、铜箔、玻纤搭配等)外,阻焊油墨的选用对外层高速线路也有较大的影响。目前,业内均知道阻焊油墨对PCB外层线路的电性能(阻抗和损耗)有一定的影响,但影响程度有多大,如何降低其对外层线路的影响,此方面报道较少。

本文通过设计阻抗和损耗测试模块,对高速PCB覆盖阻焊油墨前后电性能变化进行研究,并对比分析目前业内常用的阻焊油墨和应用较少的低介电常数/低损耗因子阻焊油墨对阻抗及损耗的影响差异,可为PCB设计及阻焊油墨的选用提供一定的参考。

2  阻焊层对PCB电性能影响机理


阻焊层(亦可称为防焊层)是在PCB制作中在PCB表面形成的一层特定图形的保护膜,它是通过丝网印刷或覆盖阻焊油墨,然后经过一系列加工形成的。PCB阻焊层可防止焊接过程中非焊接部位的上锡而造成短路,节省焊锡,防止导体之间因潮湿、化学品侵蚀引起电气短路,并可防止PCB在制造、焊接及搬运过程中各种人为因素造成的擦花、划伤而引起电气开路,抵抗各种恶劣环境对PCB的攻击、腐蚀,保证印制板发挥正常功用,还可以满足客户不同颜色、外观的需求。由于PCB阻焊层具有诸多优点,在进行PCB设计和制造时几乎均会选择覆盖阻焊层。

由于空气的介电常数为1.0005,而现有常规阻焊油墨的介电常数和损耗因子分别为3.9和0.03左右,因此,与裸露的外层线路相比,覆盖阻焊层后线路的传输环境发生了较大的变化,从而会导致外层线路的电性能发生改变。

与未覆盖阻焊油墨的线路相比,阻焊层的存在对外层线路电性能的影响主要有:(1)降低外层线路的阻抗值:信号线的特性阻抗Z,当线路上覆盖阻焊油墨后电容C值增大,从而会导致线路的阻抗值降低[3];(2)增大外层线路传输损耗:信号在传输过程中,会出现损耗,主要包括导体损耗和介质损耗,其中介质损耗与介质层损耗因子成正比,当采用阻焊油墨覆盖时,油墨的损耗因子较大,从而会增大线路传输损耗;(3)降低外层线路传输速度:由于信号线的传输速度取决于光速和介质层的介电常数,而阻焊层的介电常数远大于空气的介电常数,因此覆盖阻焊油墨后会降低信号线的传输速度。

对于高速PCB而言,阻焊层的存在具有防焊、护板、绝缘、美观的优点,但也会对外层信号传输产生很大的影响。因此,了解现有阻焊油墨对外层线路阻抗和损耗的影响程度对于电路设计、PCB阻抗控制等具有极大的意义。

3  试验部分


本试验通过设计制作阻焊和损耗测试板,采用矢量网络分析仪测试试验板的阻抗和插入损耗,对比覆盖阻焊油墨前后对信号线的阻抗值和插入损耗值的影响,并对比常规阻焊油墨(目前业内使用最为广泛的阻焊油墨,其介电常数和损耗因子较大)和目前应用极少的低损耗阻焊油墨对外层线路电性能的影响差异。

材料:very low loss覆铜板和半固化片、常规阻焊油墨(记为阻焊油墨A)和低损耗阻焊油墨(记为阻焊油墨B)。

(1)阻焊油墨对阻抗的影响

为确定覆盖油墨对PCB阻抗的影响及其差异,试验设计4层板,其叠层结构如图1所示,采用阻抗计算软件进行阻抗设计,其中,单端微带线阻抗(阻焊前)设计为30 Ω、40 Ω、50 Ω、60Ω,差分微带线阻抗(阻焊前)设计为80 Ω、90 Ω、100 Ω、110Ω,在覆盖油墨前后(阻焊油墨A和阻焊油墨B)分别进行阻抗测试,阻抗测试后进行切片分析,并反推阻焊油墨的介电常数。阻焊油墨对高速PCB阻抗和损耗影响研究

(2)阻焊油墨对损耗的影响

为确定覆盖油墨(阻焊油墨A和阻焊油墨B)对PCB损耗的影响及其差异,试验设计4层板,其叠层结构如图1所示,采用频域法(FD法)测试微带线损耗,为提高测试准确度、去除连接头的影响,采用TRL(Thru-Reflect-Line)方式进行校正,试验时依据所需材料及测试频率设计和制作TRL校准件(如图3所示)。设计线长分别为5 inch和9 inch的单端线和差分线,其中单端阻抗设计为50 Ω,差分阻抗设计为100 Ω,生产时阻抗精度控制在±5%范围内。

阻焊油墨对高速PCB阻抗和损耗影响研究

4  结果与讨论


4.1 覆盖阻焊油墨前后特性阻抗变化

(1)阻焊油墨对单端微带线阻抗值的影响

为测试阻焊油墨对单端微带线阻抗的影响,采用阻抗计算软件的无阻焊模式进行阻抗设计,生产时阻抗精度控制在±5%,测试板制作过程中在覆盖阻焊油墨前测试单端线阻抗值Z1,而后分别印制阻焊油墨A和阻焊油墨B,固化后再次测试阻抗Z2,并计算覆盖油墨后阻抗降低值Z(Z= Z1– Z2),其结果如表3和图4所示。由表可知,对于单端线,设计阻抗值越大,印制阻焊层后其阻抗降低值越大,设计值为60 Ω的阻抗线覆盖阻焊后(阻焊油墨A)阻抗下降4.3 Ω,而设计值为30 Ω的阻抗线阻抗仅下降1.2 Ω;对比覆盖阻焊油墨A和阻焊油墨B的阻抗降低值可以发现,采用低介电常数的阻焊油墨B后单端线阻抗降低值仅比常规阻焊油墨A小0~0.3 Ω,影响较小。

阻焊油墨对高速PCB阻抗和损耗影响研究

(2)阻焊油墨对差分微带线阻抗值的影响

为测试阻焊油墨对差分微带线阻抗的影响,分别设计110 Ω、100 Ω、90 Ω和80 Ω的差分阻抗线,生产时阻抗精度控制在±5%,印制阻焊油墨前后分别测试阻抗,其结果如表4和图5所示。对于差分线而言,设计阻抗值越大,印制阻焊层后其阻抗降低值越大,设计值为100 Ω的信号线印制阻焊后(采用阻焊油墨A)阻抗值下降8.5 Ω,而设计值为80 Ω的信号线阻抗值仅下降5.0 Ω;对比同一设计值的阻抗线印制阻焊油墨A和阻焊油墨B后阻抗降低值可以发现,采用低介电常数的阻焊油墨B后差分线阻抗降低值比常规阻焊油墨A小1.2~1.4 Ω,与单端微带线阻抗降低值相比,两种油墨的介电常数差异对差分线阻抗的影响更加明显。

阻焊油墨对高速PCB阻抗和损耗影响研究

(3)两种阻焊油墨Dk值分析

由于覆盖阻焊后线路阻抗的降低值与油墨的介电常数和阻焊层厚度有关,通过切片分析发现,测试板覆盖的阻焊油墨A和阻焊油墨B厚度差异仅在1~4 μm(阻焊厚度平均值如表5所示),因此两种油墨的介电常数差异对阻抗降低值有一定的影响。采用阻抗计算软件反推两种油墨的介电常数,其结果如图7和表6所示,由表可知,低损耗阻焊油墨B的介电常数约比常规阻焊油墨A小0.5~0.6左右。

阻焊油墨对高速PCB阻抗和损耗影响研究

因此,影响信号传输质量的主要因素除了PCB的设计及材料的选型(板材、铜箔、玻纤搭配等)外,阻焊油墨的选用对外层高速线路也有较大的影响。目前,业内均知道阻焊油墨对PCB外层线路的电性能(阻抗和损耗)有一定的影响,但影响程度有多大,如何降低其对外层线路的影响,此方面报道较少。

阻焊油墨对高速PCB阻抗和损耗影响研究

本文通过设计阻抗和损耗测试模块,对高速PCB覆盖阻焊油墨前后电性能变化进行研究,并对比分析目前业内常用的阻焊油墨和应用较少的低介电常数/低损耗因子阻焊油墨对阻抗及损耗的影响差异,可为PCB设计及阻焊油墨的选用提供一定的参考。

5  结论


(1)对于外层单端线和外层差分线,设计阻抗值越大,印制阻焊后阻抗降低越多,如设计值为100 Ω的差分线覆盖阻焊油墨A后阻抗下降8.5 Ω,而设计值为80 Ω的差分线阻抗仅下降5.0 Ω;

(2)与常规阻焊油墨A相比,采用低介电常数的阻焊油墨B时,单端线阻抗降低值小0~0.3 Ω,差分线阻抗降低值比小1.2~1.4 Ω,两种油墨的介电常数差异对差分线阻抗的影响更明显,测试表明两种阻焊油墨的介电常数相差0.5~0.6;

(3)阻焊层对外层传输线损耗有较大的影响,覆盖阻焊油墨后损耗值显著增大(20 GHz时未覆盖阻焊比覆盖常规阻焊油墨A的单端损耗值小0.4 dB/inch,覆盖后损耗值增大约66%),且信号传输频率越大,阻焊油墨对损耗的影响越大;

(4)与常规阻焊油墨A相比,采用低损耗的阻焊油墨B可以改善阻焊层对外层线路损耗的影响,在20 GHz传输频率下,覆盖阻焊油墨B的差分微带线损耗值比覆盖阻焊油墨A小0.2 dB/inch,损耗值可降低近20%。


参考文献

[1]   唐玉芳. 南京理工大学, 微带线损耗的理论研究及工程应用[M]. 硕士论文,2009.

[2]   粟俊华. 低介电常数和低介质损耗覆铜板材料的介绍[J].印制电路信息,2011, 4: 17-2.

[3]   彭勤卫, 陆平. 一种实测联合仿真反推阻焊油墨介电性能的方法[C]. 2014秋季国际PCB技术信息论坛: 273-278.

[4]   林金堵, 曾曙. 信号传输高频化和高速数字化对PCB的挑战(2)-对覆铜箔板(CCL)的要求[J]. 印制电路信息, 2009, 3: 11-14.

【来源: 程柳军 张雪梅 @析测试实验中心

 

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