文/朱泳名　葛鹰

高速PCB通孔非功能性焊盘对信号的影响分析

文/朱泳名葛鹰

高速信号一直是通信行业无法回避的一个话题，随着传输信号信息量的加大和传输速率的加快，高速信号的重要性愈加凸显。高速印制电路板（Printed CircuitBoard，以下简称PCB）作为高速信号的载板，其材料选择、加工工艺及线路设计都会对信号质量产生影响，其中非功能性焊盘（No-FunctionPad，以下简称NFP）是高速PCB加工的一项技术手段，而插入损耗是表征信号质量的最重要的参数之一。本文从PCB加工流程出发，严格控制加工过程中的各类影响因素，从而来确定NFP对高速信号插入损耗带来的影响。

1　NFP简介

NFP是指在通孔经历的每一层上所保留的非功能性焊盘，它不会用作于任何的电信号传输，但可以增强通孔孔壁沉铜的附着力。具体如图1所示。

图1　NFP示意图

因为增加NFP等于在沉铜之前为其提供了金属附着点，所以在高多层PCB的制作过程中很多厂家都会增加NFP以保证更好的沉铜效果。

2　实验设计

此次考察选取相同覆铜板材料，设计为20层，在第3层和第18层布线，通过对比增加NFP（方案1）和不增加NFP（方案2）的线路插入损耗，来确认NFP是否会对信号质量产生影响。由于在PCB加工过程中存在很多不确定因素，所以在考察信号插入损耗的同时也对几大主要参数进行考察，以确保没有因加工引入其它影响因素。

3　影响因素考察

3.1阻抗一致性考察

在信号损耗的测试过程中，因为阻抗不连续会使信号产生反射最终影响插入损耗的测试结果，所以阻抗一致性控制的好坏会直接影响损耗测试的准确性。分别按方案1和方案2进行特征阻抗测试，得到的特征阻抗值见表1。

表1　特征阻抗测试结果

从表1可知，两种方案的阻抗差异在5%以内，可以排除它对损耗测试的影响。

3.2插入损耗影响因素考察

插入损耗由介质损耗和导体损耗构成，由于此次对比考察的两种方案使用了相同的材料及光绘图形，所以造成介质损耗和导体损耗的原因只会出现在PCB的加工上，下面对这两项分别进行分析，以确保PCB的加工不会对考察造成影响。

3.2.1介质损耗考察

高多层压合时所使用的粘结片会产生一定的流胶，而流胶量的不同会带来介质损耗的差异。鉴于粘结片流胶的不确定性，在压合完成之后对其进行切片分析，以彻底排除流胶量不同带来的影响。切片测量见图2。

图2　信号线上下层介质厚度测量

从图2可知，此次两种考察方案的线路上下层芯板厚度分别为139.8μm及135.2μm，而层压后粘结片厚度分别为257.4μm和251.9μm，上下介质厚度差异最大值在6μm以内，厚度控制符合公差要求，不会因介质本身损耗而影响到插入损耗。

3.2.2导体损耗考察

导体损耗则与测试线路的线长、线宽、表面粗糙度乃至PCB加工时的侧蚀等因素有关系。在此次考察的两种方案中，线路设计是一样的，可排除线长的影响。而加工时的棕化效果、蚀刻液浓度、水压等因素会对线宽、线路表面粗糙度产生影响。为排除这些复杂的因素，此次考察直接从最终结果来判断线路加工的一致性，具体见图3。

图3　传输线电镜测量图片

如图3所示，在电镜下对方案1与方案2的传输线进行测量得出线宽分别为168μm和166μm，传输线高度分别为18.3μm和18.9μm，表面粗糙度都在2.5μm的水平，这说明在传输线的PCB加工上导体损耗基本一致，继而排除导体损耗对插入损耗的影响。

4　NFP影响分析

结合插入损耗的产生机理，从介质损耗和导体损耗的产生源头出发，通过对PCB加工一致性的一系列考察，以确保此次考察的两种方案只存在NFP这一个变量。依照 IPC-TM650-2.5.5.12标准中 FD （FrequencyDomain，频域）方法对方案1和方案2进行测试，结果如图4所示。

图410　GHz下两种方案的插入损耗比较

鉴于只存在NFP这一个变量，所以可以大致判定NFP对信号插入损耗的影响。方案1为未增加NFP，所以不管是第03层还是第18层，其插入损耗测试结果都小于增加了NFP的方案2，这说明引入NFP会增大信号的插入损耗。

从此次考察结果来看，两种方案之间损耗差异在9%的水平，图5是某著名通信终端对材料等级进行了初步的划分。

图5　插入损耗对材料等级的划分

参照图5可知各等级材料之间的插入损耗差异其实是比较小的，如果此次考察NFP所引入的插入损耗差异刚好落在划分界限的临界范围内，那么NFP可能会使材料等级降低一个等级，这对材料生产商到终端这一整条生产链来说都会有很大的影响。

5　结语

对于高速PCB来说，高多层是必然的发展趋势，而通孔的制作是它的一大难题。NFP对PCB孔壁加工过程中的沉铜效果有较大的改善，在防止孔铜脱落、孔壁裂纹等质量问题上有着其难得的功效。本文排除了其它影响因素，考察了NFP对信号插入损耗带来的影响，以供材料生产商、PCB厂家以及终端制造厂家作为高速PCB设计的参考。

朱泳名（1988-），男，工程师，本科，任职于广东生益科技股份有限公司，从事高频高速电路基材测试及研究工作；葛鹰（1983-），男，工程师，硕士研究生，任职于广东生益科技股份有限公司，从事高频高速电路基材测试及研究工作。