高频电路中信号传输损耗的最小化

随着移动电话、互联网接入和手持设备的不断增长，无线网络上传输的信息量急剧增加。为了处理电子系统中的海量数据，PCB传输高速射频信号的要求越来越高，并且传输速度一直在提高。在较高的GHz频率范围内，如何降低射频信号损耗（也称为插入损耗）变得日益显著。插入损耗是由于将器件插入传输线或光纤而导致的信号功率损耗，用dB表示。插入损耗会导致信号的上升沿退化或较高的误码率等。

所有PCB材料都会有传导和介质RF信号损耗。传导损耗是电阻性的，由电路板中使用的导电铜层引起。另一方面，介质损耗与PCB中使用的基板（绝缘材料）相关。本专栏文章将重点介绍铜层引起的电阻性传导损耗。

传输损耗的研究包括绘制在电信号与增加的信号频率（GHz）的各种稳态刺激下线性电气网络的电气行为（散射矩阵），以dB为单位。传输损耗，也称为插入损耗，是在测量的两个相关层之间引入待测器件（DUT）而产生的额外损耗。额外的损耗可能是由于待测器件的固有损耗和/或失配引起的。在额外损耗情况下，插入损耗被定义为正。以dB表示的插入损耗的负值被定义为插入增益。

趋肤效应

与直流或交流电流流过整个导体走线不同，射频电流不会深入电气导体，而是倾向于沿导体表面流动；这就是所谓的趋肤效应。导电铜层中的信号损耗与“趋肤效应”现象直接相关，趋肤深度是RF电流所用导体的深度。基本上，当频率增加时，使用的导体会更少，见图1。

由于“趋肤效应”而直接影响插入损耗的两种现象是铜粗糙度（图1）和所用表面涂层的性质。表面含有化学镀镍的表面涂层，如化学镀镍沉金（ENIG）和化学镀镍钯沉金（ENEPIG），由于化学镀镍的电阻特性，与铜相比，显示出更大的插入损耗。较新的涂层，如化学镀钯沉金（EPIG）和沉金化学镀钯沉金（IGEPIG）是高频应用中实现最小插入损耗的首选工艺。

铜表面粗糙度

在多层结构中，铜表面粗化是为了增强导体与介质的附着力。通过化学或机械方法完成粗化，为树脂创造了固定位置。这对非RF电流应用很有效，对低频传播的RF信号也很有效。然而，随着频率增加接近10 GHz或更高，趋肤深度会降低。当趋肤深度等于或小于铜表面粗糙度（图1）时，粗糙度将导致走线电阻率增加，并将影响导体损耗和电路的相位角响应。

图1：铜导体趋肤效应

随着信号频率的增加，电信号越来越接近铜导体表面，因而会增加电阻和传输损耗。

使用粗糙表面铜的电路将比使用更光滑表面铜的电路会有更多的导体损耗。更具体地说，基板与铜界面处的铜表面是与导体损耗有关的表面粗糙度的关注点。在提高多层板的附着力方面，最近的发展超出了黑色和棕色氧化物形成的标准粗糙化。

如今，大多数内层依靠化学蚀刻微粗化走线，以实现最大程度的粘合。然而，微粗化并不是最小化导体信号损耗的方法。行业正在选择化学粘合提高携带高频RF信号走线的附着力；它在光滑的铜表面上也非常有效。

目前提供的一种化学粘合系统是沉锡，然后用硅烷偶联剂进行处理的组合。该处理通常在水平输送设备中进行，并在导体和介质之间产生良好的附着。一篇文章[1]报道，“研究表明，不同粗糙度的铜箔类型对带状线结构的插入损耗有直接影响。化学品供应商正在提供旨在最小化导体插入损耗和表面粗糙度的新处理方法。”

铜表面粗糙度

手持设备是电路设计师实现小型化的关键驱动因素。对于这类应用，精细走线和间距正在被规范化。此外，引线键合的需求主要集中在镍金（ENIG）和镍钯金（ENEPIG）涂层上。当涉及到高频（10GHz）以上的RF信号传输时，需要满足某些限制要求。化学镀镍层是导体表面的一部分，与铜相比，其存在与化学镀镍趋肤效应相关的传输损耗。

现在已有可用于高频RF传输的新型表面涂层。这些涂层消除或减少了EN的使用。目前最常见的是化学镀钯沉金（EPIG）。我在上一篇专栏文章中介绍了EPIG。本篇文章的重点是插入损耗。

图2：含镍、薄镍和无镍表面涂层插入损耗的对比

图2包括散射参数（S参数）作为垂直轴与水平轴上信号频率的关系图。在S参数下，散射是指当传输线中的电流和电压遇到由于网络插入传输线引起的不连续时，它们受到影响的方式。首先建立基线，然后引入待测器件测量新的曲线图。差是传输损耗或插入损耗，以dB为单位测量。

图2比较了含镍（两种ENEPIG和一种ENIG）、少镍（薄镍ENEPIG）和无镍（EPIG和IGEPIG）表面涂层的插入损耗。薄镍ENEPIG只有4.0 μins（0.1 μm）的化学镀镍。IGEPIG是EPIG的变种。EPIG在铜表面使用浸钯催化剂来启动化学镀钯沉积；IGEPIG使用沉金层作为沉积化学镀钯的催化剂。

在单端50Ω传输走线（长250mm、宽0.52mm）上沉积不同的表面涂层。测量插入损耗的设备为VNA 2VA67（Rhode&Schwartz）。如图和表中总结（图2）所示，与厚度（120 μin~240 μin或3 μm~6 μm）的镍金涂层相比，低镍和无镍金表面涂层的插入损耗值显著增加。

随着行业继续沿着大规模数据传输和小型化的趋势发展，RF信号传输的频率将继续提高。比如涉及到10 GHz以上的RF频率时，必须保留特定的余量，将因铜粗糙度和表面涂层类型引起的传输损耗降到最小化。

参考文献

[1].S. Hinaga, A. Rakov, M.Y. Koledintseva, & J.L. James, "Insertion Loss Reduction Through Non-Roughening Inner Layer Surface Treatments," Proceedings of IPC APEX EXPO, March 2014.

作者：George Milad, Uyemura区域客户技术经理

本文发表于《PCB007中国线上杂志》7月号