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失效分析论文:高速PCB损耗性能的影响分析

2019-03-29 14:23
PCB失效分析
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为分析不同铜箔对损耗性能的影响差异,采用X6板材(Very Low Loss等级)分别搭配不同铜箔制得损耗性能测试板,而后采用FD法测试相应的损耗值,其结果如表3所示,由表可知,与HTE铜箔相比,HVLP铜箔的微带线和带状线损耗比HTE铜箔小12~16%,差异明显,采用HVLP铜箔能显著降低信号传输损耗;与RTF铜箔相比,HVLP铜箔的微带线损耗比RTF铜箔小4~8%,带状线损耗小8~12%。因此,对于高速PCB,在设计时通过合理搭配不同粗糙度的铜箔,可在一定程度上改善信号传输性能。

2.1.3 玻纤类型对高速PCB损耗性能的影响

PCB基材是由树脂、玻纤、铜箔、填料等组合而成,基材的介电常数和损耗因子与其组成息息相关。为满足PCB高速信号传输需求,需降低基材的介电常数和损耗因子,因此,近年来不断推出低损耗的树脂材料,此外,玻纤厂商也致力于研发低介电常数、低损耗因子的玻纤布,如高速基板中已大量使用的NE-玻纤布(NE-glass)是日本日东纺织株式会社为PCB开发的低介电常数、低损耗因子的玻纤布。与E-glass相比,NE-glass介电常数和介质损耗大幅下降,其介电常数为4.4(1 MHz),损耗因子为0.0006(1 MHz)[6]。

为分析E-glass和NE-glass在相同设计时的电性能差异,采用FD法分析了X6和X6N材料的插入损耗值,其结果如表4和图4所示。由表可知,与E-glass相比,采用NE-glass可以在一定程度上降低信号损耗。对于差分带状线,E-glass和NE-glass在不同频率下损耗值相差4%~12%左右;对于差分微带线,E-glass和NE-glass在不同频率下损耗值相差12%~22%左右。同时,信号传输频率越高,NE-glass对插入损耗的改善越明显。此外,采用NE-glass还可以减弱玻纤效应对信号传输的影响,有利于提升信号完整性[6]。

2.1.4 不同阻焊油墨对高速PCB损耗性能的影响

一般而言,在高速PCB中使用的阻焊油墨的损耗因子比板材大得多,因此,对于高速PCB的外层线路,影响其信号传输损耗的因素除PCB的设计及材料的选择外(板材、铜箔类型、玻纤类型等),阻焊油墨的选用也对外层线路损耗性能有着较大的影响。为改善高速PCB外层线路的信号传输性能,近年业内有研发推出低损耗的阻焊油墨[7]。为分析常规油墨与低损耗油墨对外层传输线损耗的影响差异,采用低损耗板材制作差分微带线,而后分别丝印两种油墨并测试丝印前后线路损耗性能的变化,其结果如图5所示,由图可知,对于外层差分线,未覆盖阻焊油墨时在12.5 GHz的损耗值为0.155 dB/cm,覆盖常规阻焊油墨后在12.5 GHz的损耗值为0.276 dB/cm,而覆盖低损耗阻焊油墨后在12.5 GHz的损耗值为0.234 dB/cm,丝印常规阻焊油墨后线路损耗值增大约78%,且信号传输频率越大,阻焊油墨对损耗的影响越大;同时,采用低损耗因子的阻焊油墨可以改善阻焊对外层线路损耗的影响,与常规阻焊油墨相比,低损耗油墨可使外层传输线的损耗值降低15%~20%。

除上述的高速材料组成对PCB损耗性能有影响外,同一材料的配本、规格也会导致损耗差异,如半固化片树脂含量、玻纤规格的选取等亦会导致Df的变化,从而影响PCB损耗值。

2.2 加工工艺对高速PCB损耗性能的影响

2.2.1 铜箔粗化处理对高速PCB损耗性能的影响

PCB制作线路时,通常会对铜面进行粗化处理,以增加干膜(或湿膜)与铜面的结合力。同时,压合前为增加PP与铜箔的结合力,提高PCB的可靠性,也会对铜面进行粗化处理。其中,线路制作时常用的粗化工艺有磨板或化学微蚀等,压合前粗化一般为棕化。随着信号高速化发展,基材所用铜箔一般为低粗糙度铜箔(VLP、HVLP等),但传统粗化工艺会使铜箔粗糙度增加,从而引起导体损耗增加。为改善PCB制程中粗化处理对损耗性能的影响,药水商开发了专门用于改善PCB损耗性能的低粗糙度粗化药水,以降低铜箔粗化处理后的粗糙度。

图6和表5分别为是传统药水与低粗糙度药水处理后铜面形貌和粗糙度测试结果,与传统药水相比,干膜前处理和层压前处理采用低粗糙度药水可以降低铜面粗糙度。图7为经过两种药水处理后的差分微带线损耗测试结果,由图可知,采用低粗糙度药水处理后的线路损耗比传统粗化药水的略低。在频率为12.5 GHz时,采用传统粗化药水后(HVLP铜箔)的损耗值为0.401 dB/cm,而采用低粗糙度药水处理后的损耗值为0.380 dB/cm,损耗降低了5.2%左右。另外,采用低粗糙度药水制得的PCB热应力及剥离强度等测试结果表明,PCB的可靠性满足要求。

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