高速PCB通孔非功能性焊盤對信號的影響分析

文/朱泳名　葛鷹

高速PCB通孔非功能性焊盤對信號的影響分析

文/朱泳名葛鷹

高速信號一直是通信行業(yè)無法回避的一個話題，隨著傳輸信號信息量的加大和傳輸速率的加快，高速信號的重要性愈加凸顯。高速印制電路板（Printed CircuitBoard，以下簡稱PCB）作為高速信號的載板，其材料選擇、加工工藝及線路設計都會對信號質(zhì)量產(chǎn)生影響，其中非功能性焊盤（No-FunctionPad，以下簡稱NFP）是高速PCB加工的一項技術手段，而插入損耗是表征信號質(zhì)量的最重要的參數(shù)之一。本文從PCB加工流程出發(fā)，嚴格控制加工過程中的各類影響因素，從而來確定NFP對高速信號插入損耗帶來的影響。

1　NFP簡介

NFP是指在通孔經(jīng)歷的每一層上所保留的非功能性焊盤，它不會用作于任何的電信號傳輸，但可以增強通孔孔壁沉銅的附著力。具體如圖1所示。

圖1　NFP示意圖

因為增加NFP等于在沉銅之前為其提供了金屬附著點，所以在高多層PCB的制作過程中很多廠家都會增加NFP以保證更好的沉銅效果。

2　實驗設計

此次考察選取相同覆銅板材料，設計為20層，在第3層和第18層布線，通過對比增加NFP（方案1）和不增加NFP（方案2）的線路插入損耗，來確認NFP是否會對信號質(zhì)量產(chǎn)生影響。由于在PCB加工過程中存在很多不確定因素，所以在考察信號插入損耗的同時也對幾大主要參數(shù)進行考察，以確保沒有因加工引入其它影響因素。

3　影響因素考察

3.1阻抗一致性考察

在信號損耗的測試過程中，因為阻抗不連續(xù)會使信號產(chǎn)生反射最終影響插入損耗的測試結(jié)果，所以阻抗一致性控制的好壞會直接影響損耗測試的準確性。分別按方案1和方案2進行特征阻抗測試，得到的特征阻抗值見表1。

表1　特征阻抗測試結(jié)果

從表1可知，兩種方案的阻抗差異在5%以內(nèi)，可以排除它對損耗測試的影響。

3.2插入損耗影響因素考察

插入損耗由介質(zhì)損耗和導體損耗構(gòu)成，由于此次對比考察的兩種方案使用了相同的材料及光繪圖形，所以造成介質(zhì)損耗和導體損耗的原因只會出現(xiàn)在PCB的加工上，下面對這兩項分別進行分析，以確保PCB的加工不會對考察造成影響。

3.2.1介質(zhì)損耗考察

高多層壓合時所使用的粘結(jié)片會產(chǎn)生一定的流膠，而流膠量的不同會帶來介質(zhì)損耗的差異。鑒于粘結(jié)片流膠的不確定性，在壓合完成之后對其進行切片分析，以徹底排除流膠量不同帶來的影響。切片測量見圖2。

圖2　信號線上下層介質(zhì)厚度測量

從圖2可知，此次兩種考察方案的線路上下層芯板厚度分別為139.8μm及135.2μm，而層壓后粘結(jié)片厚度分別為257.4μm和251.9μm，上下介質(zhì)厚度差異最大值在6μm以內(nèi)，厚度控制符合公差要求，不會因介質(zhì)本身損耗而影響到插入損耗。

3.2.2導體損耗考察

導體損耗則與測試線路的線長、線寬、表面粗糙度乃至PCB加工時的側(cè)蝕等因素有關系。在此次考察的兩種方案中，線路設計是一樣的，可排除線長的影響。而加工時的棕化效果、蝕刻液濃度、水壓等因素會對線寬、線路表面粗糙度產(chǎn)生影響。為排除這些復雜的因素，此次考察直接從最終結(jié)果來判斷線路加工的一致性，具體見圖3。

圖3　傳輸線電鏡測量圖片

如圖3所示，在電鏡下對方案1與方案2的傳輸線進行測量得出線寬分別為168μm和166μm，傳輸線高度分別為18.3μm和18.9μm，表面粗糙度都在2.5μm的水平，這說明在傳輸線的PCB加工上導體損耗基本一致，繼而排除導體損耗對插入損耗的影響。

4　NFP影響分析

結(jié)合插入損耗的產(chǎn)生機理，從介質(zhì)損耗和導體損耗的產(chǎn)生源頭出發(fā)，通過對PCB加工一致性的一系列考察，以確保此次考察的兩種方案只存在NFP這一個變量。依照 IPC-TM650-2.5.5.12標準中 FD （FrequencyDomain，頻域）方法對方案1和方案2進行測試，結(jié)果如圖4所示。

圖410　GHz下兩種方案的插入損耗比較

鑒于只存在NFP這一個變量，所以可以大致判定NFP對信號插入損耗的影響。方案1為未增加NFP，所以不管是第03層還是第18層，其插入損耗測試結(jié)果都小于增加了NFP的方案2，這說明引入NFP會增大信號的插入損耗。

從此次考察結(jié)果來看，兩種方案之間損耗差異在9%的水平，圖5是某著名通信終端對材料等級進行了初步的劃分。

圖5　插入損耗對材料等級的劃分

參照圖5可知各等級材料之間的插入損耗差異其實是比較小的，如果此次考察NFP所引入的插入損耗差異剛好落在劃分界限的臨界范圍內(nèi)，那么NFP可能會使材料等級降低一個等級，這對材料生產(chǎn)商到終端這一整條生產(chǎn)鏈來說都會有很大的影響。

5　結(jié)語

對于高速PCB來說，高多層是必然的發(fā)展趨勢，而通孔的制作是它的一大難題。NFP對PCB孔壁加工過程中的沉銅效果有較大的改善，在防止孔銅脫落、孔壁裂紋等質(zhì)量問題上有著其難得的功效。本文排除了其它影響因素，考察了NFP對信號插入損耗帶來的影響，以供材料生產(chǎn)商、PCB廠家以及終端制造廠家作為高速PCB設計的參考。

朱泳名（1988-），男，工程師，本科，任職于廣東生益科技股份有限公司，從事高頻高速電路基材測試及研究工作；葛鷹（1983-），男，工程師，碩士研究生，任職于廣東生益科技股份有限公司，從事高頻高速電路基材測試及研究工作。