微波技術 - 高頻電路板訊號損耗最小化

隨著手機的增長, Internet訪問, 和手持設備, 傳輸的信息量 高頻電路 板 大幅增加. 處理電子系統中的海量數據, 印刷電路板 傳輸高速射頻訊號的要求越來越高, 而且傳送速率一直在提高. 在更高的GHz頻率範圍內, how to reduce 這個 rf signal loss (also known as insertion loss) becomes increasingly significant. 插入損耗是指將設備插入傳輸線或光纖所造成的訊號功率損失, 以dB表示. 插入損耗將導致訊號上升沿下降或更高的誤碼率.

全部的 印刷電路板 資料遭受傳導和介電射頻訊號損失. 傳導損耗是電阻性的，由 高頻電路板. 另一方面, the dielectric loss is related to the substrate (insulating 材料) used in the 印刷電路板. 本專欄將重點討論銅層引起的電阻傳導損耗.

傳輸損耗的研究涉及繪製線性電網在各種穩態電信號刺激和新增訊號頻率（GHz）下的電力行為（散射矩陣），組織為dB。 傳輸損耗，也稱為插入損耗，是在量測的相關層之間引入被測器件（DUT）所造成的額外損耗。 額外的損耗可能是由於被測設備的固有損耗和/或不匹配造成的。 在額外損耗的情况下，插入損耗定義為正。 插入損耗的負值（dB）被定義為插入增益。

趨膚效應

與流經導體的直流或交流電流不同, 射頻電流不會深入導體，而是沿著導體表面流動. 這就是所謂的皮膚效應. 導電銅層中的訊號損耗與“趨膚效應”現象直接相關. 趨膚深度是用於射頻電流的導體的深度. 大體上, 作為 高頻新增, 使用更少的導體, 如圖1所示.

由於“趨膚效應”，直接影響插入損耗的兩種現象是銅粗糙度（圖1）和所用表面塗層的效能。 由於化學鍍鎳的電阻特性，與銅相比，表面含有化學鍍鎳的表面塗層，如化學鍍鎳沉澱（ENIG）和化學鍍鎳鈀沉澱（ENEPIG），具有更大的插入損耗。 新的塗層，如化學鍍鈀沉澱（EPIG）和化學鍍鈀沉澱（IGEPIG），是在高頻應用中實現最小插入損耗的首選工藝。

銅的表面粗糙度

在多層結構中，銅的表面被粗化，以增强導體和介質之間的附著力。 粗化通過化學或機械方法進行，以為樹脂創建固定位置。 這對於非射頻電流應用以及低頻傳播的射頻訊號都是有效的。 然而，皮膚深度隨著頻率新增到10 GHz或更高而减小。 當趨膚深度等於或小於銅表面粗糙度（圖1）時，粗糙度將導致導線電阻率新增，並將影響電路的導體損耗和相角響應。

圖1：銅導體的集膚效應

作為 高頻訊號的, 電信號越來越靠近銅導體的表面, 從而新增了電阻和傳輸損耗.

使用粗糙表面銅的電路將比使用光滑表面銅的電路遭受更多的導體損耗。 更具體地說，基板-銅介面處的銅表面與導體損耗相關的表面粗糙度有關。 最近在改善多層板附著力方面的進展超出了黑色和棕色氧化物形成的標準粗化。

如今，大多數內層依靠化學蝕刻來略微粗糙佈線，以實現最大的粘合。 然而，粗化並不是一種最小化導體訊號損失的方法。 該行業正在選擇化學粘合劑，以提高攜帶高頻射頻訊號的電線的附著力； 它對光滑的銅表面也非常有效。

現時可用的一種化學鍵合系統是錫沉積與矽烷偶聯劑處理的組合。 這種處理通常在水准運輸設備中進行，並在導體和介質之間產生良好的附著力。 一篇文章[1]報導，“研究表明，不同粗糙度的銅箔類型對帶狀線結構的插入損耗有直接影響。化學供應商正在提供新的處理方法，以最大限度地减少導體插入損耗和表面粗糙度。”

銅的表面粗糙度

手持設備是電路設計者實現小型化的關鍵驅動因素. 對於此類應用, 精細對齊和間距正在規範化. 此外, the demand for lead bonding is focused on ni-gold (ENIG) and Ni-palladium (ENEPIG) coatings. 當涉及上述射頻訊號傳輸時 高頻 (（10GHz）), 需要滿足某些限制. 化學鍍鎳層是導體表面的一部分. 與銅相比, 存在與化學鍍鎳集膚效應相關的傳輸損耗.

新的表面塗層可用於高頻射頻傳輸。 這些塗層消除或减少了EN的使用。 現時，最常見的是化學鍍鈀沉澱金（EPIG）。 我在上一篇專欄文章中介紹了這個警句。 本文的重點是插入損耗。

圖2：含鎳、薄鎳和無鎳表面塗層插入損耗的比較

圖2包括散射參數（S參數），作為垂直軸和水准軸上訊號頻率之間的關係。 在S參數下，散射是指當傳輸線中的電流和電壓遇到由網絡插入傳輸線引起的不連續性時，它們如何受到影響。 通過引入被測設備，建立基線並量測新曲線。 差值是傳輸或插入損耗，組織為dB。

Figure 2 compares the insertion losses of ni (two ENEPIG and one 埃尼集團), little nickel (thin nickel ENEPIG), and no nickel (EPIG and IGEPIG) surface coatings. 薄鎳ENEPIG只有4個.0 m Ins (0.1 mm) for electroless nickel plating. IGEPIG是EPIG的變體. 用鈀浸出催化劑將EPIC沉積在銅表面. IGEPIG使用金層作為催化劑沉積化學鍍鈀.

隨著行業的不斷發展，大規模資料傳輸和小型化的趨勢, the 高頻電路板 印刷電路板製造商 Msignal transmission will continue to increase. 例如, 當涉及10 GHz以上的射頻頻率時, 必須保留一定的餘量，以最大限度地减少由於銅粗糙度和表面塗層類型造成的傳輸損耗.