一、趨膚效應(yīng)帶來的問題

隨著在通信、云計(jì)算、云存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展，以及更高的以太網(wǎng)、云服務(wù)器的發(fā)展，PCB將進(jìn)一步向高速/高頻方向發(fā)展，PCB信號(hào)傳輸性能也會(huì)在一定程度上制約高速傳輸技術(shù)的發(fā)展。4G時(shí)代，PCB單通道信號(hào)傳輸速率已由10Gbps提升至25Gbps，預(yù)計(jì)5G時(shí)代會(huì)進(jìn)一步提升至50Gbps以上。

信號(hào)高速/高頻化是信號(hào)傳輸越來越集中于導(dǎo)線“表層”（稱為趨膚效應(yīng)），當(dāng)頻率達(dá)1GHz時(shí)，其信號(hào)在導(dǎo)線表面的傳輸厚度僅為2.1μm，如果導(dǎo)體表面粗糙度為3-5μm，信號(hào)傳輸僅在粗糙度的厚度范圍內(nèi)進(jìn)行；當(dāng)信號(hào)傳輸頻率提高到10GHz時(shí)，其信號(hào)在導(dǎo)體表面的傳輸厚度為0.7μm，信號(hào)傳輸更是在粗糙度范圍內(nèi)進(jìn)行。信號(hào)在粗糙度范圍傳輸，傳輸信號(hào)的駐波、反射將越來越嚴(yán)重，并導(dǎo)致信號(hào)傳輸路徑變長(zhǎng)，損耗增加（效果見圖1）。

由于趨膚效應(yīng)的存在，高速PCB如果繼續(xù)使用常規(guī)（STD）銅箔，其結(jié)果是：隨信號(hào)傳輸頻率增加，趨膚效應(yīng)導(dǎo)致的信號(hào)“失真”愈發(fā)嚴(yán)重。因此，當(dāng)前的高速材料上低粗糙度銅箔的應(yīng)用越來越廣泛，像Mid Loss材料和Low Loss材料都采用反轉(zhuǎn)（RTF）銅箔作為標(biāo)配銅箔；Very Low Loss材料雖然也是標(biāo)配RTF銅箔，但客戶設(shè)計(jì)多是采用超低輪廓（HVLP）銅箔；對(duì)于Ultra low loss材料，HVLP銅箔已成為標(biāo)配。通過掃描電鏡和金相顯微鏡可看出STD、RTF和HVLP銅箔（厚0.5oz）的表面形貌（見圖2）。STD銅箔毛面粗糙度（Rz）約為5μm，光面粗糙度3μm；RTF銅箔毛面、光面粗糙度約3μm；HVLP銅箔光面、毛面粗糙度均在2μm以內(nèi)。據(jù)了解，銅箔供應(yīng)商目前還正在開發(fā)表面粗糙度在1μm以下的NP銅箔，由于可靠性問題尚未解決，實(shí)際產(chǎn)品尚未應(yīng)用

PCB中傳輸線損耗主要包括介質(zhì)損耗和導(dǎo)體損耗兩個(gè)部分。對(duì)應(yīng)常規(guī)FR4材料，1GHz是介質(zhì)損耗和導(dǎo)體損耗的分水嶺（見圖3），1GHz以下時(shí)導(dǎo)體損耗占主要；頻率超過1GHz后，介質(zhì)損耗占主要。

然而，對(duì)應(yīng)Very Low Loss材料，介質(zhì)損耗已不是主要損耗，10GHz頻率下導(dǎo)體損耗約占傳輸線整體損耗的60%。圖4是基于聯(lián)茂IT-968材料模擬計(jì)算出的微帶線、帶狀線導(dǎo)體損耗（導(dǎo)損）和介質(zhì)損耗（介損）情況。由圖可以看出，帶狀線理論計(jì)算的損耗與實(shí)測(cè)損耗基本一致；不管是微帶線還是帶狀線，介質(zhì)損耗都遠(yuǎn)小于導(dǎo)體損耗。

從Mid Loss到Ultra Low Loss材料，導(dǎo)體損耗所占的比重逐漸增加。高速材料采用不同類型銅箔后，測(cè)得的損耗也存在明顯差異。圖5是IT-968材料采用STD、RTF和HVLP銅箔時(shí)，制作的帶狀線信號(hào)損耗測(cè)試結(jié)果。

二、低粗糙度銅箔加工

HVLP銅箔表面雖比較光滑，但現(xiàn)有PCB工藝會(huì)導(dǎo)致銅箔表面粗糙度增加，影響HVLP銅箔效果。按內(nèi)層線路制作工藝，內(nèi)層需要經(jīng)過干膜前處理和棕化流程，經(jīng)過這兩個(gè)流程處理后，HVLP銅箔表面粗糙度Rz會(huì)由原來的1.5μm增加至3μm左右。為解決該問題，市面上也有對(duì)應(yīng)低粗糙度工藝推出，相比傳統(tǒng)棕化藥水，該工藝不會(huì)對(duì)HVLP銅箔表面進(jìn)行微蝕，而是在對(duì)銅箔表面進(jìn)行清洗后，沉上一層錫，并用硅氧烷對(duì)表面進(jìn)行修飾，硅氧烷在與PP壓合時(shí)，可以起到橋連作用，可在一定程度上增加銅箔與PP的結(jié)合力（低粗糙度工藝原理見圖6）

采用該工藝與傳統(tǒng)棕化工藝后，HVLP銅箔表面粗糙度對(duì)比見表1。由圖看出，現(xiàn)有干膜前處理及棕化工藝都會(huì)在一定程度上使銅箔表面粗糙度增加；采用低粗糙度工藝后，銅箔表面粗糙度與原來料銅箔基本一致。

表1 采用傳統(tǒng)棕化和低粗糙度工藝后銅箔表面粗糙度變化對(duì)比

圖7是Very Low Loss材料配備HVLP銅箔時(shí)，采用低粗糙度工藝后損耗改善情況。測(cè)試結(jié)果表明，采用低粗糙度工藝后，信號(hào)損耗可以降低0.03-0.05dB/Inch（12.5GHz）。客觀來說，這改善幅度對(duì)Very Low Loss材料來說改善幅度并不顯著，而結(jié)合改善的效果和成本投入來看，該工藝性價(jià)比還不能令人滿意，所以該工藝尚未得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)對(duì)于HVLP銅來說，由于其本身還是具有一定粗糙度，這導(dǎo)致該工藝也只能達(dá)到這樣效果。對(duì)于未來Ultra Low Loss材料來說，該改善幅度可能會(huì)更有意義，另外當(dāng)NP銅箔正式推出商用后，該工藝相信也會(huì)發(fā)揮更好的效果。

來源：網(wǎng)絡(luò)