隨著移動電話、互聯網接入和手持設備的不斷增長，無線網絡上傳輸的信息量急劇增加。為了處理電子系統中的海量數據，PCB傳輸高速射頻信號的要求越來越高，并且傳輸速度一直在提高。在較高的GHz頻率范圍內，如何降低射頻信號損耗（也稱為插入損耗）變得日益顯著。插入損耗是由于將器件插入傳輸線或光纖而導致的信號功率損耗，用dB表示。插入損耗會導致信號的上升沿退化或較高的誤碼率等。

所有PCB材料都會有傳導和介質RF信號損耗。傳導損耗是電阻性的，由電路板中使用的導電銅層引起。另一方面，介質損耗與PCB中使用的基板（絕緣材料）相關。本專欄文章將重點介紹銅層引起的電阻性傳導損耗。

傳輸損耗的研究包括繪制在電信號與增加的信號頻率（GHz）的各種穩態刺激下線性電氣網絡的電氣行為（散射矩陣），以dB為單位。傳輸損耗，也稱為插入損耗，是在測量的兩個相關層之間引入待測器件（DUT）而產生的額外損耗。額外的損耗可能是由于待測器件的固有損耗和/或失配引起的。在額外損耗情況下，插入損耗被定義為正。以dB表示的插入損耗的負值被定義為插入增益。

趨膚效應

與直流或交流電流流過整個導體走線不同，射頻電流不會深入電氣導體，而是傾向于沿導體表面流動；這就是所謂的趨膚效應。導電銅層中的信號損耗與“趨膚效應”現象直接相關，趨膚深度是RF電流所用導體的深度。基本上，當頻率增加時，使用的導體會更少，見圖1。

由于“趨膚效應”而直接影響插入損耗的兩種現象是銅粗糙度（圖1）和所用表面涂層的性質。表面含有化學鍍鎳的表面涂層，如化學鍍鎳沉金（ENIG）和化學鍍鎳鈀沉金（ENEPIG），由于化學鍍鎳的電阻特性，與銅相比，顯示出更大的插入損耗。較新的涂層，如化學鍍鈀沉金（EPIG）和沉金化學鍍鈀沉金（IGEPIG）是高頻應用中實現最小插入損耗的首選工藝。

銅表面粗糙度

在多層結構中，銅表面粗化是為了增強導體與介質的附著力。通過化學或機械方法完成粗化，為樹脂創造了固定位置。這對非RF電流應用很有效，對低頻傳播的RF信號也很有效。然而，隨著頻率增加接近10 GHz或更高，趨膚深度會降低。當趨膚深度等于或小于銅表面粗糙度（圖1）時，粗糙度將導致走線電阻率增加，并將影響導體損耗和電路的相位角響應。

圖1：銅導體趨膚效應

隨著信號頻率的增加，電信號越來越接近銅導體表面，因而會增加電阻和傳輸損耗。

使用粗糙表面銅的電路將比使用更光滑表面銅的電路會有更多的導體損耗。更具體地說，基板與銅界面處的銅表面是與導體損耗有關的表面粗糙度的關注點。在提高多層板的附著力方面，最近的發展超出了黑色和棕色氧化物形成的標準粗糙化。

如今，大多數內層依靠化學蝕刻微粗化走線，以實現最大程度的粘合。然而，微粗化并不是最小化導體信號損耗的方法。行業正在選擇化學粘合提高攜帶高頻RF信號走線的附著力；它在光滑的銅表面上也非常有效。

目前提供的一種化學粘合系統是沉錫，然后用硅烷偶聯劑進行處理的組合。該處理通常在水平輸送設備中進行，并在導體和介質之間產生良好的附著。一篇文章[1]報道，“研究表明，不同粗糙度的銅箔類型對帶狀線結構的插入損耗有直接影響。化學品供應商正在提供旨在最小化導體插入損耗和表面粗糙度的新處理方法。”

銅表面粗糙度

手持設備是電路設計師實現小型化的關鍵驅動因素。對于這類應用，精細走線和間距正在被規范化。此外，引線鍵合的需求主要集中在鎳金（ENIG）和鎳鈀金（ENEPIG）涂層上。當涉及到高頻（10GHz）以上的RF信號傳輸時，需要滿足某些限制要求。化學鍍鎳層是導體表面的一部分，與銅相比，其存在與化學鍍鎳趨膚效應相關的傳輸損耗。

現在已有可用于高頻RF傳輸的新型表面涂層。這些涂層消除或減少了EN的使用。目前最常見的是化學鍍鈀沉金（EPIG）。我在上一篇專欄文章中介紹了EPIG。本篇文章的重點是插入損耗。

圖2：含鎳、薄鎳和無鎳表面涂層插入損耗的對比

圖2包括散射參數（S參數）作為垂直軸與水平軸上信號頻率的關系圖。在S參數下，散射是指當傳輸線中的電流和電壓遇到由于網絡插入傳輸線引起的不連續時，它們受到影響的方式。首先建立基線，然后引入待測器件測量新的曲線圖。差是傳輸損耗或插入損耗，以dB為單位測量。

圖2比較了含鎳（兩種ENEPIG和一種ENIG）、少鎳（薄鎳ENEPIG）和無鎳（EPIG和IGEPIG）表面涂層的插入損耗。薄鎳ENEPIG只有4.0 μins（0.1 μm）的化學鍍鎳。IGEPIG是EPIG的變種。EPIG在銅表面使用浸鈀催化劑來啟動化學鍍鈀沉積；IGEPIG使用沉金層作為沉積化學鍍鈀的催化劑。

在單端50Ω傳輸走線（長250mm、寬0.52mm）上沉積不同的表面涂層。測量插入損耗的設備為VNA 2VA67（Rhode&Schwartz）。如圖和表中總結（圖2）所示，與厚度（120 μin~240 μin或3 μm~6 μm）的鎳金涂層相比，低鎳和無鎳金表面涂層的插入損耗值顯著增加。

隨著行業繼續沿著大規模數據傳輸和小型化的趨勢發展，RF信號傳輸的頻率將繼續提高。比如涉及到10 GHz以上的RF頻率時，必須保留特定的余量，將因銅粗糙度和表面涂層類型引起的傳輸損耗降到最小化。

參考文獻

[1].S. Hinaga, A. Rakov, M.Y. Koledintseva, & J.L. James, "Insertion Loss Reduction Through Non-Roughening Inner Layer Surface Treatments," Proceedings of IPC APEX EXPO, March 2014.

作者：George Milad, Uyemura區域客戶技術經理

本文發表于《PCB007中國線上雜志》7月號