PCB高速產品差分微帶線插入損耗研究

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摘要：

高速PCB產品的關鍵指標包括傳輸線損耗、阻抗匹配及時延一致性，而傳輸線損耗又可分為介質損耗、導體損耗和輻射損耗，介質損耗主要取決於PCB板材的玻纖和樹脂等，材料Df越小，損耗越小；導體損耗主要受“趨膚效應”和導體表面粗糙度的影響；粗糙度越小導體損耗越小；對此也有較多相關研究及報道。基於高速PCB的發展要求，除了板材本身特性和導體粗糙度外，PCB生產設計方面對差分微帶線損耗的影響也比較明顯。本次研究的重點是差分微帶線沉金、塗覆阻焊層後的損耗變化規律，以及差分微帶線旁增加接地孔、改變阻抗孔孔徑和焊盤大小後損耗的變化規律，並根據研究結果給出降低差分微帶線插入損耗的設計建議。

關鍵詞：

微帶線；插入損耗；沉金；油墨；接地孔；孔徑；反焊盤；

0 前言

高速設計的目的就是要保證所設計電路的訊號完整性（SI），訊號完整性出現偏差往往不是由單一因素導致的，而是系統（尤其板級）設計中多種因素共同引起的。訊號完整性問題主要包括反射、振鈴、地彈、串擾、延遲等。隨著PCB設計複雜度的提高，穩定可靠的電源供應也成為目前系統研究的重點之一，造成電源不穩定的根源主要在於兩個方面：一是器件高速開關狀態下，瞬態的交變電流過大；二是電流回路上存在電感。因此，單純考慮訊號完整性是不充分的，理想傳輸線是沒有畸變、沒有損耗的，線上任何一點的電壓都是輸入波形的複製，並沿傳輸線方向有一定延遲。而實際並非如此，高速數字系統的工作頻率越來越高，使得系統呈現了與低速設計截然不同的行為，出現了SI和PI問題。另外，由於工作頻率的提高給傳輸線上的訊號帶來了明顯的損耗，降低了訊號傳輸的準確性並增加了延遲。

在訊號的傳輸過程中，外界環境的變化會嚴重影響訊號的傳輸質量。因此，為得到較好的傳輸質量，一個常用的方法就是採用差分訊號進行傳輸，即在阻抗匹配的埠處輸出兩個翻轉方向相反、幅度相等、邊沿相同的訊號，接收器接收到兩個訊號後，將兩個訊號相減，得到差分訊號。若兩個訊號在傳輸過程中受外界環境的影響使電平發生變化，接收端接收到訊號後，對差分訊號的影響很小，故差分訊號系統具備極大的噪聲容忍度及抗干擾的能力。同時，如圖1所示，損耗的影響因素主要包含設計、材料、導體電阻、介厚、粗糙度、導體厚度、線寬等，其中設計端造成的損耗佔比40%，所以，對PCB設計的研究尤為重要。本文主要針對高速產品差分微帶線不同設計的損耗進行研究。

圖1 各影響因子造成損耗佔比

1 不同設計對差分微帶線損耗影響的機理

高速PCB的關鍵指標包括傳輸線損耗、阻抗匹配及時延一致性，而傳輸線損耗又可分為介質損耗、導體損耗和輻射損耗，目前，常見板材和阻焊油墨的介電常數和損耗因子如表1所示，由表可知，常規阻焊油墨的損耗因子遠大於高速板材。

因此，影響訊號傳輸質量的主要因素除了PCB的設計及材料的選型（板材、銅箔、玻纖搭配等）外，阻焊油墨的選用對外層高速線路也有較大的影響。目前，業內關於阻焊油墨對PCB外層線路的電效能（阻抗和損耗）方面的影響做了較多研究。線路上蓋阻焊層會增大損耗，所以，目前行業內高速產品大部分選擇線上路上做沉鎳金表面處理，不做阻焊層。實際上沉鎳金層也會對損耗造成影響。

從公式（1）可以看出，由於空氣的介電常數為1。0005，而現有常規阻焊油墨的介電常數和損耗因子分別為3。9和0。03左右，因此，與裸露的外層線路相比，覆蓋阻焊層後線路的傳輸環境發生了較大的變化，從而會導致損耗增大。

目前，常見的電磁學和電動力學的資料中，基本介紹的都是絕緣體的介電常數，而對金屬的介電常數研究報道相對較少。事實上，金屬的介電常數與外界環境的電磁波頻率有關，金屬的介電常數在低頻和高頻狀態下會有顯著的區別。金屬的介電常數叫復介電常數，通常使用的金屬介電常數是由自由氣體模型（Drude模型）推匯出的，這個模型在低頻狀態下與實際實驗資料相吻合，但在高頻狀態下，由於金屬內部的自由電子會發生禁帶躍遷，需要引入Lorentz-Drude模型進行修正。而金屬導體的Df很小，但是不同金屬的Df存在一定差異。沉鎳金後會引起差分微帶線損耗的變化，但實際PCB產品在生產中對此方面的研究和報道較少。

傳輸線結構包括“訊號路徑”與“返回路徑”兩部分。參考層作為訊號的返回路徑，它不僅承載訊號的返回電流，還控制著傳輸線的阻抗。若訊號在傳輸過程中參考層發生變化，訊號會產生極大的反射，對訊號的傳輸質量有著極其惡劣的影響。所以，在差分微帶線旁加接地孔會影響訊號的反射，使損耗及訊號完整性改變。

從公式2和3可以看出，在改變阻抗孔孔徑大小後會引起電容的變化，電容的改變會使阻抗發生改變，同時，引起損耗的變化。

2 實驗部分

試驗透過不同設計方式製作損耗測試板，採用向量網路分析儀，用TRL（Thru-Reflect-Line）方式進行校正；採用頻域法（FD法）測試差分微帶線損耗。

2.1 試驗材料及儀器

材料：very low loss覆銅板和半固化片（R-5775G板材、1035-R-5670G）

測試儀器：四埠網路分析儀

2.2 試驗設計

（1）差分微帶線蓋阻焊層與沉金後的損耗差異

疊層設計：測試板均採用高速板材、1035半固化片，採用3張芯板壓合成6層板，並在L1、L3、L5層分別設計差分線做損耗測試。同時在對應層別的兩側板邊設計單端阻抗和差分阻抗線，單端控制50±5Ω，差分阻抗控制100±10Ω，以保證線路控制在正常範圍內，設計如下圖2所示。

圖2 疊層設計圖

圖形設計：為保證其他條件相同，試板採用1拼2的方式設計，同一塊板上其中一個單元的差分微帶線上做塗覆阻焊層設計，另外一個單元上差分線做沉金處理，如圖3所示。

圖3 差分線沉金蓋油設計圖

（2）差分微帶線旁加接地孔對損耗的影響

疊層設計：測試板均採用高速板材、1035半固化片，採用1張芯板壓合2次變成6層板，並在L1、L3、L5層分別設計差分線做損耗測試。同時在對應層別的兩側板邊設計單端阻抗和差分阻抗線，單端控制50±5Ω，差分阻抗控制100±10Ω，以保證線路控制在正常範圍內，設計如下圖4所示。

圖4 疊層設計圖

圖形設計：差分微帶線兩側加疊盲孔（接地）設計，具體如圖5所示。

A 圖形設計

B 接地孔截面圖

圖5 有無接地孔損耗試板設計圖

（3）差分微帶線阻抗孔孔徑及反焊盤尺寸變化對損耗的影響：

疊層設計：測試板均採用高速板材、1035半固化片，採用3張芯板壓合成6層板，並在L1、L3、L5層分別設計差分線做損耗測試。同時在對應層別的兩側板邊設計單端阻抗和差分阻抗線，單端控制50±5Ω，差分阻抗控制100±10Ω，以保證線路控制在正常範圍內，設計如圖2所示。

圖形設計：分別設計阻抗孔孔徑200μm、250μm，反焊盤減小5mil、8mil進行試驗對比，圖形不做更改，如圖5所示（無接地孔）。

3 結果與討論

3.1差分微帶線蓋阻焊層與沉金後的損耗差異

基於理論分析，阻焊和沉金後差分線的損耗有相應變化，使用向量網路分析儀並用FD-頻域法校準後測試結果如表2所示：

用資料分析軟體origin對以上結果進行分析如下：

圖6 阻焊和沉金後損耗結果分析

從以上分析圖可以看出，差分線沉金後損耗明顯變大，傳輸頻率@12。9GHZ時，差異達0。545dB/inch；而對同一塊板上的差分線分別在蓋阻焊層和沉金後測試損耗對比，在低頻段差分線蓋油後的損耗小於沉金差分線的損耗，高頻段（＞18GHZ）因金屬內的自由電子會發生禁帶躍遷，造成金屬導體DK值等特性變化，沉金差分線損耗小於蓋油差分線損耗；頻率@12。9GHZ時，蓋油差分線損耗比沉金差分線損耗小0。131 dB/inch。

3.2差分微帶線旁加接地孔對損耗的影響

差分線兩旁增加接地孔會影響訊號的反射，同時引起訊號完整性的變化。試板採用內層芯板樹脂塞孔，再做2階疊盲孔，試驗板使用向量網路分析儀並用FD-頻域法校準後測試結果如表3所示：

對測試結果分析如圖6所示：

A 有無接地孔損耗測試結果對比

B 損耗測試圖片

圖7 有無接地孔測試結果分析

從損耗測試圖看，無接地孔的訊號波動明顯，而有接地孔的訊號較平緩，有接地孔的差分線訊號完整性更優；對測試結果進行分析，接地孔也有降低差分線損耗的作用；在頻率@12。9GHZ時，有接地孔的差分線比無接地孔差分線損耗小0。039 dB/inch；但接地孔會影響參考層訊號的反射，尤其是對阻抗的影響較明顯，如表4測試結果所示：

由阻抗測試結果分析，接地孔對阻抗影響較明顯，接地孔的增加會引起阻抗的降低，平均增加一個接地孔，差分線阻抗大約減小0。025ohm；所以，在差分線旁設計接地孔時需要考慮阻抗的影響。

3.3差分微帶線阻抗孔孔徑及反焊盤尺寸變化對損耗的影響

目前，在PCB圖形設計中，佈線密度在不斷增大，通常由於孔與線間距的限制，實際生產中會對孔徑及反焊盤大小做一定更改，從而滿足實際生產的能力，這樣的更改會引起訊號完整性的變化，為滿足實際生產能力的要求，同時保證產品訊號的完整性，試驗設計不同孔徑及不同反焊盤大小進行損耗測試對比，結果如表5、6所示：

對比分析圖如圖8所示：

圖8 不同孔徑差分微帶線損耗對比

從不同孔徑損耗對比看，孔徑增大會導致損耗的增大，為保證訊號完整性的不變需要了解不同反焊盤大小下，損耗的變化。測試結果如表6所示：

圖9 不同反焊盤差分微帶線損耗對比

從不同反焊盤大小分析，反焊盤尺寸的減小會導致損耗的增大，但同時改變孔徑和焊盤尺寸，可以使訊號完整性保持不變。如圖10所示：

圖10 變更前後差分微帶線損耗對比

如圖分析，在低頻段（＜16GHZ），孔徑減小50um，同時反焊盤減小5mil可以使損耗不受更改設計的影響；在頻率@12。9GHZ時，更改前後損耗均為-0。804dB/inch。另外，為保證訊號完整性，需要同時保證阻抗的穩定，測試如表7所示：

從測試結果看，過孔孔徑每增加0。05mm，過孔阻抗降低約4ohm；反焊盤單邊寬每增加1mil，過孔阻抗增加約0。7ohm；在孔徑減小0。05mm的情況下，反焊減小5-6mil 可保證訊號完整性基本不變。

4 結論

（1）沉金和蓋阻焊層後的差分微帶線損耗都會增大，在頻率@12。9GHZ時， 蓋油差分線的損耗小於沉金差分線損耗。

（2）差分微帶線旁設計疊盲孔型接地孔在頻率@12。9GHZ時，有接地孔的差分線比無接地孔差分線損耗小0。039 dB/inch；且訊號傳輸較無接地孔差分線的平緩。但差分線旁增加接地孔會引起阻抗的減小，設計時需要考慮此影響因素。

（3）增大阻抗孔徑以及減小反焊盤尺寸都會使差分微帶線損耗增加，設計時遇到間距不足等問題時，減小孔徑，同時減小相應尺寸的反焊盤大小可以保證訊號完整性基本不變。