阻焊油墨对高速PCB阻抗和损耗影响研究

1、产品检测与可靠性i n s p e c t i o na n dr e l i a b i t y 2 0 1 6 春季国际p c b 技术信息论坛 阻焊油墨对高速p c b 阻抗和 损耗影响研究 p a p e rc o d e ：s 一0 7 1 程柳军王红飞陈蓓 ( 广州兴森快捷电路科技有限公司，广东广州5 1 0 6 6 3 ( 深圳市兴森快捷电路科技股份有限公司，广东深圳5 1 8 0 2 8 ) 摘要 阻抗匹配和降低传输线损耗是高速印制电路板( p c b ) 重要指标，而阻焊层作 为p c b 的重要组成部分，其对外层传输线的阻抗和损耗均有较大的影响。对于 高速p c b 设计和

2、制造而言，了解阻焊层对阻抗、损耗的影响程度以及如何减少 阻焊层对p c b 电性能的影响有重要意义。文章对比分析了无阻焊和覆盖阻焊油 墨前后p c b 电性能变化，并重点分析了常规阻焊油墨和低介电常数低损耗因子 阻焊油墨对外层传输线阻抗和损耗的影响，可为高速p c b 设计和阻焊油墨的选 用提供参考。 关键词阻焊油墨；介电常数；损耗因子；高速中国印制板 中图分类号：t n 4 1文献标识码：a文章编号：1 0 0 9 0 0 9 6 ( 2 0 1 6 ) 增刊一0 1 6 6 0 8 t h e i m p a c to fs o l d e rm a s k o nh i g h - s

3、p e e d p c bi m p e d a n c ea n dl o s s c h e nl i t l - j u n 聃，a n gh o n g 母tc h e nb e i a b s t 陀c t i m p e d a n c em a t c h i n ga n dr e d u c i n gt r a n s m i s s i o nl o s sa r ei m p o r t a n ti n d i c a t o r st od e v e l o ph i g h s p e e dp c b a sa ni m p o r t a n tp a r

4、to fp c b ，t h es o i d e rm a s kh a sas t r o n gi m p a c to nt h ei n l p e d a n c ea n dl o s so f t r a n s m i s s i o nl i n e f o rh i g h s p e e dp c b d e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g ，i ti sn e c e s s a r yt ou n d e r s t a n dt h ed e g r e eo fs 0 1 d e r m a s ka f f e c

5、t st h ei m p e d a n c ea n d 仃a n s m i s s i o nl o s s ，a n dh o wt or e d u c et h ee 矗e c t s i nt h i sp a p e r ，m ei m p a c to fs o l d e r m a s ko nm ee l e c t r i c a lp r o p e r t i e so fp c bw a sa n a l y z e d ，a n dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nac o n v e n t i o n a ls o

6、 l d e rm a s k 狮d ai o wd i e l e c t r i cc o n s t a l l t l o wi o s sf a c t o rs o l d e rm a s kw a si n v e s t i g a t e d ，w h i c hc o u l dp r o v i d es o m er e f e r e n c ef o rt h e d e s i g n i n go fp c b a n ds e l e c t i n go fs o l d e rm a s k k e yw o r d s s o i d e rm a s

7、 k ：d i e i e c tr cc 0 n s t a n t ：d i e l e c tr cd i s s i p a t i o nf a c t o r ：h i g h s p e e dp c b j l u刖吾 近年来，电子产品不断朝着高密度化、多功能化及信号传输高频化、高速化方向发展，目前，骨干网信号 传输速率己高达1 0 0g b i “s ，相应地单通道传输速率也高达1 0g b i t s 甚至2 5g b i t s ，且信号传输高速化仍保持着 迅猛的发展趋势。信号传输的高速化发展使得信号传输过程中更容易出现反射、串扰等信号完整性问题，且传 一1 6 6 万方

8、数据 2 0 1 6 春季国际p c b 技术信息论坛 产品检测与可靠性i n s p e c t i o na n dr e i i a b m t y 输速率越快，信号损耗越大，如何降低信号在传输过程中的损耗、保证信号完整性是高速p c b 发展中面临的巨 大挑战。 众所周知，高速p c b 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”1 ，其中，介质损耗主要取决于p c b 板材的玻纤和树脂等，导体损耗主要受“趋肤效 应”和导体表面粗糙度的影响。因此，基于高速p c b 的发展要求，对高速p c b 材料的研发和应用，关注的重点也

9、在p c b 板材，主要包括低损耗因子的树脂体系、低损耗的玻纤布( 开纤布) 、低粗糙度铜箔等。对于高速材料， 其介电常数和损耗因子是材料性能高低的重要评价指标。介电常数又称电容率或相对电容率，是表征电介质或 绝缘材料电性能的一个重要数据，介电常数越小绝缘性越好。对于信号传输而言，信号的传输速度是由光速和 绝缘层的介电常数所决定的，介电常数越大则信号传输速度越慢。损耗因子是介质电能损耗或绝缘材料信号衰 减能力的表征物理量，d f 越高，介质电导和极化的滞后效应越厉害，电能或信号的损失就越多”1 。目前，常见板 材和阻焊油墨的介电常数和损耗因子如表l 所示，由表可知，常规阻焊油墨的损耗因子远大于

10、高速板材。 表1 不同等级p c b 板材与常规油墨介电常数和损耗因子 m i d d l e r yl o ws u p c r 常规f r 4l o wl o s s 常规阻焊油墨 l 0 s s l o s sl o wl o s s 介电常数d l c 3 9 4 53 6 4 43 2 3 83 1 3 62 5 3 23 9 损耗因予，d f 0 0 20 0 1 o 0 20 o l 0 0 0 6o 0 0 3 0 0 0 60 0 0 30 0 2 o 0 4 注：不同板材等级划分主要依据其损耗因子的大小，表中介电常数值仅代表常规情况下范围。 因此，影响信号传输质量的主要因素

11、除了p c b 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，业内均知道阻焊油墨对p c b 外层线路的电性能( 阻抗和损 耗) 有一定的影响，但影响程度有多大，如何降低其对外层线路的影响，此方面报道较少。 本文通过设计阻抗和损耗测试模块，对高速p c b 覆盖阻焊油墨前后电性能变化进行研究，并对比分析目前 业内常用的阻焊油墨和应用较少的低介电常数低损耗因子阻焊油墨对阻抗及损耗的影响差异，可为p c b 设计及 阻焊油墨的选用提供一定的参考。 1 阻焊层对p c b 电性能影响机理 阻焊层( 亦可称为防焊层) 是在p c b 制作中在p

12、 c b 表面形成的一层特定图形的保护膜，它是通过丝网印刷或 覆盖阻焊油墨，然后经过一系列加工形成的。p c b 阻焊层可防止焊接过程中非焊接部位的上锡而造成短路，节省 焊锡，防止导体之间因潮湿、化学品侵蚀引起电气短路，并可防止p c b 在制造、焊接及搬运过程中各种人为因素 造成的擦花、划伤而引起电气开路，抵抗各种恶劣环境对p c b 的攻击、腐蚀，保证印制板发挥正常功用，还可以 满足客户不同颜色、外观的需求。由于p c b 阻焊层具有诸多优点，在进行p c b 设计和制造时几乎均会选择覆盖阻 焊层。 由于空气的介电常数为1 0 0 05 ，而现有常规阻焊油墨的介电常数和损耗因子分别为3 9

13、 和o 0 3 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，从而会导致外层线路的电性能发生 改变。 与未覆盖阻焊油墨的线路相比，阻焊层的存在对外层线路电性能的影响主要有：( 1 ) 降低外层线路的阻 抗值：信号线的特性阻抗z 。= l c ，当线路上覆盖阻焊油墨后电容c 值增大，从而会导致线路的阻抗值降低p 1 ： ( 2 ) 增大外层线路传输损耗：信号在传输过程中，会出现损耗，主要包括导体损耗和介质损耗，其中介质损 耗与介质层损耗因子成正比( 介质损耗口，= t a n 莎七，t a n6c 为损耗因子，k 为常数) ，当采用阻焊油墨覆 盖时，油墨的损耗因

14、子较大，从而会增大线路传输损耗：( 3 ) 降低外层线路传输速度：由于信号线的传输速 度取决于光速和介质层的介电常数( 传输速度v = 七，c 占，其中k l 为常数，c 为光速，e 为介质的介电常数 d k ) ，而阻焊层的介电常数远大于空气的介电常数，因此覆盖阻焊油墨后会降低信号线的传输速度。 1 6 7 万方数据 产品检测与可靠性i n s p e c t i o na n dr e i i a b “时 2 0 16 春季国际p c b 技术，信息论坛 对于高速p c b 而言，阻焊层的存在具有防焊、护板、绝缘、美观的优点，但也会对外层信号传输产生很大 的影响。因此，了解现有阻焊油墨对

15、外层线路阻抗和损耗的影响程度对于电路设计、p c b 阻抗控制等具有极大的 意义。 2 试验部分 本试验通过设计制作阻焊和损耗测试板，采用矢量网络分析仪测试试验板的阻抗和插入损耗，对比覆盖 阻焊油墨前后对信号线的阻抗值和插入损耗值的影响，并对比常规阻焊油墨( 目前业内使用最为广泛的阻焊油 墨，其介电常数和损耗因子较大) 和目前应用极少的低损耗阻焊油墨对外层线路电性能的影响差异。 2 1 试验材料及仪器 材料：v e 巧l o wl o s s 覆铜板和半固化片、常规阻焊油墨( 记为阻焊油墨a ) 和低损耗阻焊油墨( 记为阻焊油 墨b ) 。 表2 两种阻焊油墨的特性表 阻焊油墨a阻焊油墨b 介

16、电常数 l g h z 3 83 1 9 损耗因子 l g h z 0 0 2 80 0 1 4 测试仪器：四端口网络分析仪、金相显微镜 2 2 试验设计 ( 1 ) 阻焊油墨对阻抗的影响。 为确定覆盖油墨对p c b 阻抗的影响及其差异，试验设计4 层板，其叠层结构如图1 所示，采用阻抗计算软件 进行阻抗设计，其中，单端微带线阻抗( 阻焊前) 设计为3 0q 、4 0q 、5 0q 、6 0 q ，差分微带线阻抗( 阻焊 前) 设计为8 0q 、9 0q 、1 0 0q 、1 1 0q ，在覆盖油墨前后( 阻焊油墨a 和阻焊油墨b ) 分别进行阻抗测试，阻 抗测试后进行切片分析，并反推阻焊油

17、墨的介电常数。 图1 试验板叠层结构示意图 差分线 图2 单端和差分阻抗线示意图 试验流程：开料一内层图形一压合一钻孔一p t h 一外层图形一阻抗测试l 一阻焊一阻抗测试2 ( 2 ) 阻焊油墨对损耗的影响。 为确定覆盖油墨( 阻焊油墨a 和阻焊油墨b ) 对p c b 损耗的影响及其差异，试验设计4 层板，其叠层结构如 图l 所示，采用频域法( f d 法) 测试微带线损耗，为提高测试准确度、去除连接头的影响，采用t r l ( t h n l r e f l e c t l i n e ) 方式进行校正，试验时依据所需材料及测试频率设计和制作t r l 校准件( 如图3 所示) 。设计线

18、长 一1 6 8 万方数据 2 0 16 春季国际p c b 技术，信息论坛 产品检测与可靠性l n s p e c t i o na n dr e i i a b i t y 分别为5i n 和9i n 的单端线和差分线，其中单端阻抗设计为5 0q ，差分阻抗设计为1 0 0q ，生产时阻抗精度控制 在5 范围内。 图3t r l 校准模块和f d 法损耗测试模块示意图 试验流程：开料一内层图形一压合一钻孔一p t h 一外层图形一损耗测试i 一阻焊一损耗测试2 3 结果与讨论 3 1覆盖阻焊油墨前后特性阻抗变化 ( 1 ) 阻焊油墨对单端微带线阻抗值的影响。 为测试阻焊油墨对单端微带线阻抗

19、的影响，采用阻抗计算软件的无阻焊模式进行阻抗设计，生产时阻抗精 度控制在5 ，测试板制作过程中在覆盖阻焊油墨前测试单端线阻抗值z ，而后分别印制阻焊油墨a 和阻焊油墨 b ，固化后再次测试阻抗z 2 ，并计算覆盖油墨后阻抗降低值z ( z = z 】z 2 ) ，其结果如表3 和图4 所示。由表可知， 对于单端线，设计阻抗值越大，印制阻焊层后其阻抗降低值越大，设计值为6 0q 的阻抗线覆盖阻焊后( 阻焊油墨 a ) 阻抗下降4 3q ，而设计值为3 0q 的阻抗线阻抗仅下降1 2q ；对比覆盖阻焊油墨a 和阻焊油墨b 的阻抗降低值 可以发现，采用低介电常数的阻焊油墨b 后单端线阻抗降低值仅比常

20、规阻焊油墨a 小o o 3q ，影响较小。 表3 覆盖阻焊油墨前后单端微带线阻抗测试结果 阻焊油墨a阻焊油墨b 阻抗设计值胞 6 05 04 03 06 05 04 03 0 实测阻焊前z 1 胞 5 9 85 0 04 0 63 0 66 0 85 0 74 1 13 1 0 平均阻焊后z 2 胞5 5 54 7 23 8 62 9 45 6 84 8 1 3 9 2 2 9 8 值 阻抗差值z 胞 4 32 82 01 24 02 61 91 2 注： ( 1 ) 阻焊前和阻焊后的阻抗值为2 6 组阻抗线的平均值； ( 2 ) 6 0q 、5 0q 、4 0q 、3 0q 单端微带线 线宽

21、分别为0 3 0m m 、0 4 2i n i n 、0 6 0i 砌、0 9 lm m 。 s s 。玉匦塑巫亟受圈匦 jt t ”r 7 7 - t t t t t t t t t t 1 j j+ ! + + + j一一1 1 1 一1 1 = = i = | = 瞎i = i t i 沁：持 = = = ：= = ：= ：= 无阻 阻焊 无阻 阻焊 无阻 阻焊 无阻 阻焊 1 01 52 02 53 0 05 1 0 1 52 02 5 3 0 f 、【：| i ：葭删试z j卜旧忙置朝试点 图4 印制阻焊油墨前后单端微带线阻抗变化 一1 6 9 一 焊后焊后焊后焊后阻焊阻焊阻焊阻焊无

22、阻无阻无阻无阻 q q q q q q q q 一州“m m 晒 跖 牾 帅 ：g 筠 e暑、雕蠕辖蛊 “ “ 一 一 “ - “ “ “ 一 l ： “ 舳 ：；： 拈 柏 强 加 筠 ee、群蠕堰曼 万方数据 产品检测与可靠性i n s p e c l i o na n dr e l i a b i i i t y 2 0 16 春季国际p c b 技术，信息论坛 ( 2 ) 阻焊油墨对差分微带线阻抗值的影响 为测试阻焊油墨对差分微带线阻抗的影响，分别设计1 l oq 、1 0 0q 、9 0q 和8 0q 的差分阻抗线，生产时 阻抗精度控制在5 ，印制阻焊油墨前后分别测试阻抗，其结果如表

23、4 和图5 所示。对于差分线而言，设计阻抗 值越大，印制阻焊层后其阻抗降低值越大，设计值为1 0 0q 的信号线印制阻焊后( 采用阻焊油墨a ) 阻抗值下降 8 5q ，而设计值为8 0q 的信号线阻抗值仅下降5 0q ；对比同一设计值的阻抗线印制阻焊油墨a 和阻焊油墨b 后 阻抗降低值可以发现，采用低介电常数的阻焊油墨b 后差分线阻抗降低值比常规阻焊油墨a 小1 2q 1 4q ，与 单端微带线阻抗降低值相比，两种油墨的介电常数差异对差分线阻抗的影响更加明显。 表4 差分线阻抗测试结果 阻焊油墨a阻焊油墨b 阻抗设计值ql l o1 0 09 08 0 1 1 01 0 0 9 08 0 实

24、测阻焊前z 1 胞 1 1 2 o1 0 2 39 2 18 1 71 1 3 01 0 3 19 2 98 2 1 平均 阻焊后z 2 胞 1 0 l 。99 3 8 8 5 8 7 6 7 1 0 4 3 9 6 08 7 87 8 3 值 阻抗差值z ，q l o 18 56 35 o8 77 15 13 8 注：( 1 ) 阻焊前和阻焊后的阻抗值为2 6 组阻抗线的平均值；( 2 ) 1 1 0q 、1 0 0q 、9 0q 、8 0q 差分微带 线线宽线距分别为0 2 7 0 2 5i i l l n 、0 3 3 0 2 5m m 、0 4 2 o 3 0m m 、o 5 i 0

25、3 0r i l l l l 。 051 01 52 02 53 0 不同位置测试点 丽磊雨砸丽晤弱湎蕊蕊丽i 妒一- 一 051 0 1 52 02 5 3 0 不同位置测试点 1 1 0q 无阻焊 1 j 0q 阻焊后 1 0 0q 无阻焊 1 0 0q 阻焊后 9 nq 无阻焊 9 0q 阻焊后 8 0q 无阻焊 8 0q 阻焊后 图5 印制阻焊油墨前后差分微带线阻抗变化 ( 3 ) 两种阻焊油墨仇值分析 由于覆盖阻焊后线路阻抗的降低值与油墨的介电常数和阻焊层厚度有关，通过切片分析发现，测试板覆盖 的阻焊油墨a 和阻焊油墨b 厚度差异仅在1 ”m 4 岬( 阻焊厚度平均值如表5 所示)

26、，因此两种油墨的介电常数 差异对阻抗降低值有一定的影响。采用阻抗计算软件反推两种油墨的介电常数，其结果如图7 和表6 所示，由表 可知，低损耗阻焊油墨b 的介电常数约比常规阻焊油墨a 小0 5 0 6 左右。 图6 反推法测试阻焊油墨介电常数切片示意图 1 7 0 佰 竹 5 ： ；2 eco、睹把、晕_i岂 伯 5 ： 8 两 加 e莒、眯蛞鼙甚 万方数据 2 0 16 春季国际p c b 技术信息论坛 产品检测与可靠性i n s p e c t i o na n dr e i i a b j i i t y 表5 单端线切片测试结果 单端线阻焊厚度均值岬 差分线阻焊厚度均值岬 c l c

27、2c 3c lc 2c 3 阻焊油墨c s5 9 2 92 6 6 85 8 8 l6 2 1 73 1 0 86 0 6 9 as s5 9 5 52 5 2 05 9 5 86 0 6 92 6 “5 9 2 1 阻焊油墨c s6 l 。9 62 9 5 76 3 4 l6 1 1 33 0 5 66 2 5 7 bs s6 3 1 82 9 _ 3 56 4 1 l6 2 6 l3 0 0 86 3 1 3 图7 两种油墨介电常数反推值：( 1 ) 阻焊油墨b ( 2 ) 阻焊油墨a 表6 两种阻焊油墨的介电常数对比 阻抗设计值胞阻抗降低值差异胞反推d k 值差异 3 00 1 40 5

28、 4 4 00 3 30 5 5 单端线 5 0o 5 50 6 1 6 00 70 6 2 8 00 9 50 6 2 9 01 0 50 5 2 差分线 1 0 0 1 2 50 5 l 1 1 01 4 50 5 0 3 2 覆盖阻焊油墨前后损耗分析 对于高速p c b 而言，损耗是信号传输必须考虑的重要指标之一，在p c b 设计时总是希望尽可能地减小信号 的传输损耗。根据电磁场和微波理论，微带线的损耗主要由介质损耗、导体损耗和辐射损耗三者组成。其中， 介质损耗是在交变场作用下，由于介质分子交替极化和晶格不断碰撞而产生的热损耗。高速信号在传输过程中 的介质损耗可表示为：口d = 七，。

29、占，t a n 万其中：呦为信号的介质损耗，k 为常数，伪传输频率，t a n6 为介质损耗因子，r 为材料的相对介电常数。在高速p c b 中，p c b 阻焊油墨的d k 和d 广般比板材要大很多，因 此，阻焊油墨的使用对外层传输线的介质损耗有较大的影响。 为对比分析阻焊油墨a 和阻焊油墨b 对外层传输线损耗的影响差异，分别设计5 0q 的单端微带线和1 0 0q 的 差分微带线，并设计t r l 校准模块，采用频域法测定覆盖阻焊油墨a 和阻焊油墨b 后的传输线插入损耗值，其结 果如图8 、图9 和表7 所示。由表可知，对于外层单端线，未覆盖阻焊油墨时在1 0g h z 和2 0g h z

30、 频率下损耗值分别 为0 3 3d b i n 和0 6 3d b i n ，覆盖常规阻焊油墨a 后在1 0g h z 和2 0g h z 频率下损耗值分别为o 4 9d b i n 和1 0 ld b i n ， 而覆盖低损耗的阻焊油墨b 后损耗值分别为o 4 4d b i n 和0 8 5d b i n 。对于外层差分线，未覆盖阻焊油墨时在1 0g h z 和2 0g h z 频率下损耗值分别为0 3 2d b i n 和o 6 0d b i n ，覆盖常规阻焊油墨a 后在1 0g h z 和2 0g h z 频率下损耗值分别 一1 7 1 万方数据 产品检测与可靠性i n s p e c

31、 t i o na n dr e i i a b t y 2 0 16 春季国际p c b 技术信息论坛 为0 5 7d b i n 和1 1 ld b i n ，而覆盖低损耗的阻焊油墨b 后损耗值分别为0 4 8d b i n 和0 8 9d b i n 。 由上述测试结果可知，外层传输线覆盖阻焊油墨后损耗值显著增大( 2 0g h z 时未覆盖阻焊比覆盖常规阻焊 油墨a 的单端损耗值小0 4d b i n ，覆盖后损耗值增大约6 6 ) ，且信号传输频率越大，阻焊油墨对损耗的影响越 大。同时，对比同一传输频率下阻焊油墨a 和阻焊油墨b 的损耗值可以发现，采用低损耗因子的阻焊油墨b 可以 改

32、善阻焊油墨对外层线路损耗的影响，如2 0g h z 传输频率下，覆盖阻焊油墨a 和阻焊油墨b 的差分微带线损耗 值相差0 2d b i n ，采用阻焊油墨b 后损耗值可降低近2 0 。由前文可知，介质损耗，在本文试验条件下k 和f 可认 为是一致的，由于两种油墨的d k 值相差约0 5 0 6 ，因此采用两种阻焊油墨后的损耗差异来源于两种油墨的损耗 因子( 介质损耗角正切) 差异，而常规阻焊油墨a 和低损耗因子的阻焊油墨b 分别为0 0 2 8 和o 0 1 4 ( 厂家提供参 数) ，因而采用低损耗因子的阻焊油墨b 可以降低覆盖阻焊对外层传输线损耗的影响。 量： 皤一6 季： 一9 ：1 0

33、 ：笔 o 4 g8 g 12 g1 6 g 2 0 g 锎苹h z 图8 单端微带线损耗测试结果 0 1 - 2 3 4 口 囊5 皤- 6 求7 4 】j 】j 一8 9 1 0 1 1 1 2 3 ，r r r t ， r r t 1 ，r r r r _ o 4 g8 g 1 2 g1 6 g 2 0 g 频率h z 图9 差分微带线损耗测试结果 表7 外层传输线损耗测试结果 线路类不同频率下插入损耗平均值( 单位：d b i n ) 型 处理方式 4 g h z 8 g h z 1 0 g h z 2 0 g h z c s一0 1 5 3 70 2 6 6 80 3 2 5 3 0

34、 6 3 4 4 无阻焊 s s一0 1 5 6 80 2 7 3 20 3 3 2 1 0 6 3 5 6 单端微 阻焊油墨a c s一0 2 1 5 50 4 0 0 60 4 9 3 21 0 0 l l 带线 s s0 2 1 4 60 4 0 0 80 4 9 1 81 0 0 5 6 c s一0 2 0 0 40 3 5 8 20 4 4 2 l 。0 8 4 7 7 阻焊油墨b s s一0 2 0 4 70 3 6 5 30 4 4 9 50 8 6 3 3 c s0 1 3 8 30 2 6 9 60 3 1 7 5o 6 0 3 3 无阻焊 s s 0 1 3 8 90 2 6 7 00 3 1 9 30 5 9 5 6 差分微 c s0