一、趨膚效應帶來的問題

隨著在通信、云計算、云存儲技術發(fā)展，以及更高的以太網(wǎng)、云服務器的發(fā)展，PCB將進一步向高速/高頻方向發(fā)展，PCB信號傳輸性能也會在一定程度上制約高速傳輸技術的發(fā)展。4G時代，PCB單通道信號傳輸速率已由10Gbps提升至25Gbps，預計5G時代會進一步提升至50Gbps以上。

信號高速/高頻化是信號傳輸越來越集中于導線“表層”（稱為趨膚效應），當頻率達1GHz時，其信號在導線表面的傳輸厚度僅為2.1μm，如果導體表面粗糙度為3-5μm，信號傳輸僅在粗糙度的厚度范圍內(nèi)進行；當信號傳輸頻率提高到10GHz時，其信號在導體表面的傳輸厚度為0.7μm，信號傳輸更是在粗糙度范圍內(nèi)進行。信號在粗糙度范圍傳輸，傳輸信號的駐波、反射將越來越嚴重，并導致信號傳輸路徑變長，損耗增加（效果見圖1）。

由于趨膚效應的存在，高速PCB如果繼續(xù)使用常規(guī)（STD）銅箔，其結(jié)果是：隨信號傳輸頻率增加，趨膚效應導致的信號“失真”愈發(fā)嚴重。因此，當前的高速材料上低粗糙度銅箔的應用越來越廣泛，像Mid Loss材料和Low Loss材料都采用反轉(zhuǎn)（RTF）銅箔作為標配銅箔；Very Low Loss材料雖然也是標配RTF銅箔，但客戶設計多是采用超低輪廓（HVLP）銅箔；對于Ultra low loss材料，HVLP銅箔已成為標配。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，實際產(chǎn)品尚未應用

PCB中傳輸線損耗主要包括介質(zhì)損耗和導體損耗兩個部分。對應常規(guī)FR4材料，1GHz是介質(zhì)損耗和導體損耗的分水嶺（見圖3），1GHz以下時導體損耗占主要；頻率超過1GHz后，介質(zhì)損耗占主要。

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

從Mid Loss到Ultra Low Loss材料，導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，制作的帶狀線信號損耗測試結(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工藝會導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)過這兩個流程處理后，HVLP銅箔表面粗糙度Rz會由原來的1.5μm增加至3μm左右。為解決該問題，市面上也有對應低粗糙度工藝推出，相比傳統(tǒng)棕化藥水，該工藝不會對HVLP銅箔表面進行微蝕，而是在對銅箔表面進行清洗后，沉上一層錫，并用硅氧烷對表面進行修飾，硅氧烷在與PP壓合時，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銅箔表面粗糙度對比見表1。由圖看出，現(xiàn)有干膜前處理及棕化工藝都會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比

圖7是Very Low Loss材料配備HVLP銅箔時，采用低粗糙度工藝后損耗改善情況。測試結(jié)果表明，采用低粗糙度工藝后，信號損耗可以降低0.03-0.05dB/Inch（12.5GHz）。客觀來說，這改善幅度對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，該工藝性價比還不能令人滿意，所以該工藝尚未得到廣泛應用。同時對于HVLP銅來說，由于其本身還是具有一定粗糙度，這導致該工藝也只能達到這樣效果。對于未來Ultra Low Loss材料來說，該改善幅度可能會更有意義，另外當NP銅箔正式推出商用后，該工藝相信也會發(fā)揮更好的效果。

來源：網(wǎng)絡