隨著移動電話、互聯(lián)網(wǎng)接入和手持設(shè)備的不斷增長，無線網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)男畔⒘考眲≡黾印榱颂幚黼娮酉到y(tǒng)中的海量數(shù)據(jù)，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(nèi)，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(dǎo)致的信號功率損耗，用dB表示。插入損耗會導(dǎo)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(dǎo)和介質(zhì)RF信號損耗。傳導(dǎo)損耗是電阻性的，由電路板中使用的導(dǎo)電銅層引起。另一方面，介質(zhì)損耗與PCB中使用的基板（絕緣材料）相關(guān)。本專欄文章將重點(diǎn)介紹銅層引起的電阻性傳導(dǎo)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(wěn)態(tài)刺激下線性電氣網(wǎng)絡(luò)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(guān)層之間引入待測器件（DUT）而產(chǎn)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(fù)值被定義為插入增益。

趨膚效應(yīng)

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

由于“趨膚效應(yīng)”而直接影響插入損耗的兩種現(xiàn)象是銅粗糙度（圖1）和所用表面涂層的性質(zhì)。表面含有化學(xué)鍍鎳的表面涂層，如化學(xué)鍍鎳沉金（ENIG）和化學(xué)鍍鎳鈀沉金（ENEPIG），由于化學(xué)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(xué)鍍鈀沉金（EPIG）和沉金化學(xué)鍍鈀沉金（IGEPIG）是高頻應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)最小插入損耗的首選工藝。

銅表面粗糙度

在多層結(jié)構(gòu)中，銅表面粗化是為了增強(qiáng)導(dǎo)體與介質(zhì)的附著力。通過化學(xué)或機(jī)械方法完成粗化，為樹脂創(chuàng)造了固定位置。這對非RF電流應(yīng)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(dāng)趨膚深度等于或小于銅表面粗糙度（圖1）時，粗糙度將導(dǎo)致走線電阻率增加，并將影響導(dǎo)體損耗和電路的相位角響應(yīng)。

圖1：銅導(dǎo)體趨膚效應(yīng)

隨著信號頻率的增加，電信號越來越接近銅導(dǎo)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(dǎo)體損耗。更具體地說，基板與銅界面處的銅表面是與導(dǎo)體損耗有關(guān)的表面粗糙度的關(guān)注點(diǎn)。在提高多層板的附著力方面，最近的發(fā)展超出了黑色和棕色氧化物形成的標(biāo)準(zhǔn)粗糙化。

如今，大多數(shù)內(nèi)層依靠化學(xué)蝕刻微粗化走線，以實(shí)現(xiàn)最大程度的粘合。然而，微粗化并不是最小化導(dǎo)體信號損耗的方法。行業(yè)正在選擇化學(xué)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(xué)粘合系統(tǒng)是沉錫，然后用硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)行處理的組合。該處理通常在水平輸送設(shè)備中進(jìn)行，并在導(dǎo)體和介質(zhì)之間產(chǎn)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(jié)構(gòu)的插入損耗有直接影響。化學(xué)品供應(yīng)商正在提供旨在最小化導(dǎo)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(shè)備是電路設(shè)計(jì)師實(shí)現(xiàn)小型化的關(guān)鍵驅(qū)動因素。對于這類應(yīng)用，精細(xì)走線和間距正在被規(guī)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(dāng)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(xué)鍍鎳層是導(dǎo)體表面的一部分，與銅相比，其存在與化學(xué)鍍鎳趨膚效應(yīng)相關(guān)的傳輸損耗。

現(xiàn)在已有可用于高頻RF傳輸?shù)男滦捅砻嫱繉印＿@些涂層消除或減少了EN的使用。目前最常見的是化學(xué)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(diǎn)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(shù)（S參數(shù)）作為垂直軸與水平軸上信號頻率的關(guān)系圖。在S參數(shù)下，散射是指當(dāng)傳輸線中的電流和電壓遇到由于網(wǎng)絡(luò)插入傳輸線引起的不連續(xù)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(xué)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(xué)鍍鈀沉積；IGEPIG使用沉金層作為沉積化學(xué)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(shè)備為VNA 2VA67（Rhode&Schwartz）。如圖和表中總結(jié)（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(yè)繼續(xù)沿著大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸和小型化的趨勢發(fā)展，RF信號傳輸?shù)念l率將繼續(xù)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(xiàn)

[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(qū)域客戶技術(shù)經(jīng)理

本文發(fā)表于《PCB007中國線上雜志》7月號