【PCB高速产品差分微带线插入损耗研究】

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摘要

高速PCB产品的关键指标包括传输线损耗、阻抗匹配及时延一致性，而传输线损耗又可分为介质损耗、导体损耗和辐射损耗，介质损耗主要取决于PCB板材的玻纤和树脂等，材料Df越小，损耗越小；导体损耗主要受“趋肤效应”和导体表面粗糙度的影响；粗糙度越小导体损耗越小；对此也有较多相关研究及报道。基于高速PCB的发展要求，除了板材本身特性和导体粗糙度外，PCB生产设计方面对差分微带线损耗的影响也比较明显。本次研究的重点是差分微带线沉金、涂覆阻焊层后的损耗变化规律，以及差分微带线旁增加接地孔、改变阻抗孔孔径和焊盘大小后损耗的变化规律，并根据研究结果给出降低差分微带线插入损耗的设计建议。
关键词： 微带线；插入损耗；沉金；油墨；接地孔；孔径；反焊盘；

0 前言

高速设计的目的就是要保证所设计电路的信号完整性(SI)，信号完整性出现偏差往往不是由单一因素导致的，而是系统(尤其板级)设计中多种因素共同引起的。信号完整性问题主要包括反射、振铃、地弹、串扰、延迟等。随着PCB设计复杂度的提高，稳定可靠的电源供应也成为目前系统研究的重点之一，造成电源不稳定的根源主要在于两个方面:一是器件高速开关状态下，瞬态的交变电流过大；二是电流回路上存在电感。因此，单纯考虑信号完整性是不充分的，理想传输线是没有畸变、没有损耗的，线上任何一点的电压都是输入波形的复制,并沿传输线方向有一定延迟。而实际并非如此，高速数字系统的工作频率越来越高，使得系统呈现了与低速设计截然不同的行为，出现了SI和PI问题。另外，由于工作频率的提高给传输线上的信号带来了明显的损耗，降低了信号传输的准确性并增加了延迟。

在信号的传输过程中，外界环境的变化会严重影响信号的传输质量。因此，为得到较好的传输质量，一个常用的方法就是采用差分信号进行传输，即在阻抗匹配的端口处输出两个翻转方向相反、幅度相等、边沿相同的信号，接收器接收到两个信号后，将两个信号相减，得到差分信号。若两个信号在传输过程中受外界环境的影响使电平发生变化，接收端接收到信号后，对差分信号的影响很小，故差分信号系统具备极大的噪声容忍度及抗干扰的能力。同时，如图1所示，损耗的影响因素主要包含设计、材料、导体电阻、介厚、粗糙度、导体厚度、线宽等，其中设计端造成的损耗占比40%，所以，对PCB设计的研究尤为重要。本文主要针对高速产品差分微带线不同设计的损耗进行研究。

图1 各影响因子造成损耗占比

1 不同设计对差分微带线损耗影响的机理

高速PCB的关键指标包括传输线损耗、阻抗匹配及时延一致性，而传输线损耗又可分为介质损耗、导体损耗和辐射损耗，目前，常见板材和阻焊油墨的介电常数和损耗因子如表1所示，由表可知，常规阻焊油墨的损耗因子远大于高速板材。

因此，影响信号传输质量的主要因素除了PCB的设计及材料的选型（板材、铜箔、玻纤搭配等）外，阻焊油墨的选用对外层高速线路也有较大的影响。目前，业内关于阻焊油墨对PCB外层线路的电性能（阻抗和损耗）方面的影响做了较多研究。线路上盖阻焊层会增大损耗，所以，目前行业内高速产品大部分选择在线路上做沉镍金表面处理，不做阻焊层。实际上沉镍金层也会对损耗造成影响。

从公式（1）可以看出，由于空气的介电常数为1.0005，而现有常规阻焊油墨的介电常数和损耗因子分别为3.9和0.03左右，因此，与裸露的外层线路相比，覆盖阻焊层后线路的传输环境发生了较大的变化，从而会导致损耗增大。

目前，常见的电磁学和电动力学的资料中，基本介绍的都是绝缘体的介电常数，而对金属的介电常数研究报道相对较少。事实上，金属的介电常数与外界环境的电磁波频率有关，金属的介电常数在低频和高频状态下会有显著的区别。金属的介电常数叫复介电常数，通常使用的金属介电常数是由自由气体模型（Drude模型）推导出的，这个模型在低频状态下与实际实验数据相吻合，但在高频状态下，由于金属内部的自由电子会发生禁带跃迁，需要引入Lorentz-Drude模型进行修正。而金属导体的Df很小，但是不同金属的Df存在一定差异。沉镍金后会引起差分微带线损耗的变化，但实际PCB产品在生产中对此方面的研究和报道较少。

传输线结构包括“信号路径”与“返回路径”两部分。参考层作为信号的返回路径，它不仅承载信号的返回电流，还控制着传输线的阻抗。若信号在传输过程中参考层发生变化，信号会产生极大的反射，对信号的传输质量有着极其恶劣的影响。所以，在差分微带线旁加接地孔会影响信号的反射，使损耗及信号完整性改变。

从公式2和3可以看出，在改变阻抗孔孔径大小后会引起电容的变化，电容的改变会使阻抗发生改变，同时，引起损耗的变化。

2 实验部分

试验通过不同设计方式制作损耗测试板，采用矢量网络分析仪，用TRL（Thru-Reflect-Line）方式进行校正；采用频域法（FD法）测试差分微带线损耗。

2.1 试验材料及仪器

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

测试仪器：四端口网络分析仪

2.2 试验设计

（1）差分微带线盖阻焊层与沉金后的损耗差异

叠层设计:测试板均采用高速板材、1035半固化片，采用3张芯板压合成6层板，并在L1、L3、L5层分别设计差分线做损耗测试。同时在对应层别的两侧板边设计单端阻抗和差分阻抗线，单端控制50±5Ω，差分阻抗控制100±10Ω，以保证线路控制在正常范围内，设计如下图2所示。

图2 叠层设计图

图形设计：为保证其他条件相同，试板采用1拼2的方式设计，同一块板上其中一个单元的差分微带线上做涂覆阻焊层设计，另外一个单元上差分线做沉金处理，如图3所示。

图3 差分线沉金盖油设计图

（2）差分微带线旁加接地孔对损耗的影响

叠层设计:测试板均采用高速板材、1035半固化片，采用1张芯板压合2次变成6层板，并在L1、L3、L5层分别设计差分线做损耗测试。同时在对应层别的两侧板边设计单端阻抗和差分阻抗线，单端控制50±5Ω，差分阻抗控制100±10Ω，以保证线路控制在正常范围内，设计如下图4所示。

图4 叠层设计图

图形设计：差分微带线两侧加叠盲孔（接地）设计，具体如图5所示。

A 图形设计

B 接地孔截面图

图5 有无接地孔损耗试板设计图

（3）差分微带线阻抗孔孔径及反焊盘尺寸变化对损耗的影响：

叠层设计:测试板均采用高速板材、1035半固化片，采用3张芯板压合成6层板，并在L1、L3、L5层分别设计差分线做损耗测试。同时在对应层别的两侧板边设计单端阻抗和差分阻抗线，单端控制50±5Ω，差分阻抗控制100±10Ω，以保证线路控制在正常范围内，设计如图2所示。

图形设计：分别设计阻抗孔孔径200μm、250μm，反焊盘减小5mil、8mil进行试验对比，图形不做更改，如图5所示（无接地孔）。

3 结果与讨论

3.1差分微带线盖阻焊层与沉金后的损耗差异

基于理论分析，阻焊和沉金后差分线的损耗有相应变化，使用矢量网络分析仪并用FD-频域法校准后测试结果如表2所示：

用数据分析软件origin对以上结果进行分析如下：

图6 阻焊和沉金后损耗结果分析

从以上分析图可以看出，差分线沉金后损耗明显变大，传输频率@12.9GHZ时，差异达0.545dB/inch；而对同一块板上的差分线分别在盖阻焊层和沉金后测试损耗对比，在低频段差分线盖油后的损耗小于沉金差分线的损耗，高频段（＞18GHZ）因金属内的自由电子会发生禁带跃迁，造成金属导体DK值等特性变化，沉金差分线损耗小于盖油差分线损耗；频率@12.9GHZ时，盖油差分线损耗比沉金差分线损耗小0.131 dB/inch。

3.2差分微带线旁加接地孔对损耗的影响

差分线两旁增加接地孔会影响信号的反射，同时引起信号完整性的变化。试板采用内层芯板树脂塞孔，再做2阶叠盲孔，试验板使用矢量网络分析仪并用FD-频域法校准后测试结果如表3所示：

   对测试结果分析如图6所示：

A 有无接地孔损耗测试结果对比

B 损耗测试图片

图7 有无接地孔测试结果分析

从损耗测试图看，无接地孔的信号波动明显，而有接地孔的信号较平缓，有接地孔的差分线信号完整性更优；对测试结果进行分析，接地孔也有降低差分线损耗的作用；在频率@12.9GHZ时，有接地孔的差分线比无接地孔差分线损耗小0.039 dB/inch；但接地孔会影响参考层信号的反射，尤其是对阻抗的影响较明显，如表4测试结果所示：

由阻抗测试结果分析，接地孔对阻抗影响较明显，接地孔的增加会引起阻抗的降低，平均增加一个接地孔，差分线阻抗大约减小0.025ohm；所以，在差分线旁设计接地孔时需要考虑阻抗的影响。

3.3差分微带线阻抗孔孔径及反焊盘尺寸变化对损耗的影响

目前，在PCB图形设计中，布线密度在不断增大，通常由于孔与线间距的限制，实际生产中会对孔径及反焊盘大小做一定更改，从而满足实际生产的能力，这样的更改会引起信号完整性的变化，为满足实际生产能力的要求，同时保证产品信号的完整性，试验设计不同孔径及不同反焊盘大小进行损耗测试对比，结果如表5、6所示：

对比分析图如图8所示：

图8 不同孔径差分微带线损耗对比

从不同孔径损耗对比看，孔径增大会导致损耗的增大，为保证信号完整性的不变需要了解不同反焊盘大小下，损耗的变化。测试结果如表6所示：

图9 不同反焊盘差分微带线损耗对比

从不同反焊盘大小分析，反焊盘尺寸的减小会导致损耗的增大，但同时改变孔径和焊盘尺寸，可以使信号完整性保持不变。如图10所示：

图10 变更前后差分微带线损耗对比

如图分析，在低频段（＜16GHZ），孔径减小50um，同时反焊盘减小5mil可以使损耗不受更改设计的影响；在频率@12.9GHZ时，更改前后损耗均为-0.804dB/inch。另外，为保证信号完整性，需要同时保证阻抗的稳定，测试如表7所示：

从测试结果看，过孔孔径每增加0.05mm，过孔阻抗降低约4ohm；反焊盘单边宽每增加1mil，过孔阻抗增加约0.7ohm；在孔径减小0.05mm的情况下，反焊减小5-6mil 可保证信号完整性基本不变。

4 结论

（1）沉金和盖阻焊层后的差分微带线损耗都会增大，在频率@12.9GHZ时， 盖油差分线的损耗小于沉金差分线损耗。

（2）差分微带线旁设计叠盲孔型接地孔在频率@12.9GHZ时，有接地孔的差分线比无接地孔差分线损耗小0.039 dB/inch；且信号传输较无接地孔差分线的平缓。但差分线旁增加接地孔会引起阻抗的减小，设计时需要考虑此影响因素。

（3）增大阻抗孔径以及减小反焊盘尺寸都会使差分微带线损耗增加，设计时遇到间距不足等问题时，减小孔径，同时减小相应尺寸的反焊盘大小可以保证信号完整性基本不变。

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