表面處理對PCB電路加工是非常必要的。它不僅能夠為元件焊接提供光滑可焊的表面,同時也為PCB的銅導體提供了保護。在沒有表面處理保護的情況下,暴露于環境中的PCB銅導體會迅速氧化和變壞,進而導致電路性能惡化。然而,PCB上增加的表面處理也意味著電路損耗會增加。不同表面處理工藝的選用會對PCB的導體損耗產生不同影響,特別是對寬帶、高頻電路更加明顯。為更好理解表面處理對損耗性能的影響,基于不同電路材料和應用不同表面處理的情況下加工了多組傳輸線進行對比。
不管是否使用表面處理,PCB電路的損耗通常都會隨著頻率的升高而增大。電路設計者在諸如微帶線、帶狀線或接地共面波導等各類微波傳輸線上測量的得到損耗主要來源于PCB上各類信號損耗的總和,其中包括導體損耗、介質損耗、輻射損耗和泄露損耗等,它們共同組成了插入損耗。電路的設計也會對損耗產生影響,傳輸線、電路結點和元件焊接點等的良好的阻抗匹配可減小信號的反射功率從而降低損耗。該反射功率也可測量電路的回波損耗得到。
銅是一種良導體,使用銅的傳輸線和纜線具有較低的插入損耗。但PCB介質層上的銅不能始終保持最為平整和光滑的表面,特別是為小型元件表貼器件如焊球矩陣封裝(BGA)或表貼封裝(SMT)等。表面處理工藝能夠為小型元件的安裝提供非常光滑的貼裝表面,并能為阻止銅氧化提供長期的保護。某些表面處理還可有效保護多層電路中實現層間電連接的電鍍通孔(PTHs)。但是,大部分PCB表面處理的使用也會產生一定的代價,不同程度的增加插入損耗。這主要取決于電路的工作頻率和其他的一些因素,包括介質厚度、不同的傳輸線技術、電路的布線和表面處理對電路影響的方式。
大部分PCB表面處理的導電性都比PCB介質表面的銅薄差,特別在高頻頻段將比銅產生更多的損耗。銀是一個例外,它是一種良導體但價格昂貴,作為表面處理通常是非常薄的一層。PCB導體損耗和頻率相關主要是因為RF電流在導體中的傳輸方式和頻率有關。由于趨膚效應,在低頻段RF電流的傳輸占用導體的大部分;而在高頻段,RF電流將沿著導體的表面傳輸,僅僅占用導體的外表面。在高頻段由于電流僅占用導體的很少一部分從而導致導體損耗上升。表面處理對高頻段PCB的插入損耗將產生更大的影響。
表面處理對PCB插入損耗的影響也依賴于傳輸線技術。例如,對于微帶線,在導體邊緣具有很高的電流密度,表面處理對導體損耗將產生重要影響。而對于接地共面波導電路,電流密度主要分布在地線-信號線-地線的四個邊緣面,表面處理對導體損耗將產生更顯著的影響。
表面處理的選用
對于高頻電路有許多不同的表面處理工藝可供選擇,包括化學鎳金(ENIG)、有機保焊膜(OSP)、化學鍍鎳、化學鍍鈀、浸金(ENIPIG) 涂和防焊油墨等。例如,化學鎳金ENIG就是在PCB銅導體表面先電鍍鎳后電鍍金,使鎳作為銅和金的中間層。金是非常好的良導體,但薄薄的一層金會在當元件焊接到PCB傳輸線或導線上時,被吸收到焊接點而消失。ENIG工藝使用的材料成本昂貴,但其符合RoHS標準并能為多層電路組裝中的PTHs提供良好的保護而廣泛使用。
有機保焊膜作為表面處理工藝是一種廣受歡迎的綠色環保的無鉛工藝,它能為元件的焊接提供極其光滑的安裝表面。這種表面處理方法是通過化學浴法實現,成本低廉,但它不利于對PTH的保護。在評估表面處理工藝可靠性時也無法測量表面處理的厚度。此外,即使最佳環境下OSP的使用壽命可以延長,但OSP通常也是作為短暫的而非持久、最終的表面處理工藝。防焊油墨是在銅導線表面覆蓋提供保護的聚合物材料,其可以防止非預期的焊錫連接和電路短接。
如何從PCB導體損耗和插入損耗的角度來比較不同種類的表面處理呢?在相同的PCB層壓板上使用不同的表面處理加工了不同種類的傳輸線電路,通過測量和電腦仿真可以比較不同表面處理對插入損耗的影響。例如,基于羅杰斯公司高頻電路板材RO4003C上設計加工了微帶線和接地共面波導傳輸線,測量結果表明裸銅微帶線的損耗明顯低于使用ENIG表面處理的微帶線。同時,測量結果也表明裸銅接地共面波導的損耗也明顯低于使用ENIG的接地共面波導。
在不同厚度的(6.6, 10.0和 30.0 mil)羅杰斯RO4350B層壓板上分別加工的傳輸線電路進行測試比較發現,電路總的插入損耗會隨著厚度的增加而減小。對于較薄的電路導體損耗占主導地位。對于表面處理的評估,其主要增加了PCB的導體損耗。
在表面處理的評估測試和仿真過程中也使用了另一種電路材料進行設計加工微帶線電路,即5mil厚、壓延銅的羅杰斯RT/duroid6002電路板材料。在40GHz范圍內測量發現使用ENIG的微帶線電路的導體損耗比裸銅微帶線電路的損耗明顯更高。然而使用沉銀的表面處理工藝的相同材料相同電路,即使測量頻率上升到100GHz(使用差分測試方法),其微帶線電路的導體損耗和裸銅微帶線的導體損耗差別很小。OSP表面處理也有相似結果,即使在100GHz時其差別也非常小。對使用防焊油墨的比較,裸銅結構的微帶線電路導體損耗比使用防焊油墨的微帶線電路的導體損耗約低。
簡言之,對于微帶線和接地共面波導電路,使用裸銅結構是具有最低的導體損耗。然而加工穩定可靠的裸銅結構PCB是不實際的,使用PCB表面處理工藝則可以提供長期必要的保護。通過測量和仿真可以發現,不同PCB表面處理的影響是不同的,某些表面處理的損耗會比其他的低。通過高達110GHz范圍內的高頻PCB電路測量表明,電路導體損耗從低到高依次為裸銅結構、浸錫、ENIPIG、ENIG。