鄒冬輝 王立剛 陶錦濱
(深圳市強達電路有限公司,廣東 深圳 518000)
隨著5G 電子技術的快速發展和6G 技術的推進研發,光模塊的傳輸速率在逐漸提高,對印制電路板(printed circuit board,PCB)的阻抗要求越來越嚴格,要求阻抗公差從10%縮小到8%再縮小到5%,這對于PCB阻抗制作而言提出了很大挑戰。本文通過對1.6T(信號傳輸速率1.6 Tbit/s)高速傳輸光模塊PCB 達到5%阻抗這一過程進行研究,為高速光模塊阻抗控制提供參考。
阻抗是表示元件性能或一段電路電性能的物理量,是在具有電阻、電感和電容的電路里,對電路中的電流所起的阻礙。阻抗是一個比例模型,在PCB 上當基材Dk不變時,其余參數(如線寬、間距、銅厚、介厚、阻焊涂覆等)等比例放大或縮小,其阻抗值不變,如圖1 所示。了解阻抗比例模型,能更好地指導板廠選材,合理分配設計因子的比例,制作阻抗良率更高的阻抗板。等比例阻抗模型對比情況見表1。
表1 等比例阻抗模型對比
圖1 阻抗模型
Polar Si9000 作為理想情景下的阻抗電磁場求解器,其模擬的介質視為分布均勻的材料,但實際上環繞在阻抗線周圍的主要為樹脂,即導線強磁場附近是Dk較低的樹脂,成品反推出的材料Dk必然低于材料廠商的標定Dk值。因此,設計阻抗時需要反推Dk值,重新定義材料Dk值。
根據以往經驗,反推出的Dk值的極差有大有小,其中106 玻纖布、1080 玻纖布的Dk極差大,玻纖扁平化或開纖處理的1078玻纖布等的Dk極差小。因此,為匹配1.6T 光模塊5%阻抗,選材上優選玻纖扁平化或開纖處理后的材料。此外,將材料或圖形旋轉3°~10°,有利于提高光模塊材料實際應用Dk的穩定性。
生產14 層1.6T 高速傳輸光模塊印制板,進行5%阻抗公差技術研究。半固化片(prepreg,PP)材料使用扁平化或開纖玻纖布,銅箔選用低粗糙度銅箔。材料選用IT-988GSE 系列、建滔HVLP、RTF銅箔,疊構設計如圖2所示。
圖2 PCB疊構設計
在制板尺寸520 mm×311 mm,設計6 單元圖形,其中3 單元圖形旋轉5°,3 單元圖形不旋轉,面板(panel,PNL)長寬各留邊42 mm、58 mm。
(1)根據我司此前反推的IT-988GSE 系列實際Dk數據,設計應用Dk值=供應商Dk-0.6。
(2)計算介厚采用PNL 殘銅率,準確計算以嚴格控制壓合后PP厚度偏差。
(3)內層棕化造成相應線損銅損,計算半成品阻抗時可考慮加上線損銅損,以使成品銅厚、線寬更接近阻抗設計模擬中值,阻焊前處理采用磨板工藝,因此外層蝕刻后管控線寬與成品阻抗線線寬一致。
(1)板厚設計與誤差控制見表2。
表2 開料、壓合后板厚設計 單位:mm
(2)阻抗因子設計與誤差控制見表3。
表3 阻抗因子設計與誤差控制
1.6 T 高速傳輸光模塊PCB 板工藝流程圖如圖3所示。
圖3 工藝流程
板厚、切片介厚、銅厚、線寬、半成品阻值過程測量數據,按2.4節過程管控參數管控,過程切片介厚按極差<10 μm管控。
阻焊后全測阻抗,實測阻抗值見表4,測量阻抗線合計108 根,阻抗達標102 根,阻抗良率為94.44%。
表4 實測成品阻值數據 單位:Ω
50 Ω 單端阻抗線、90 Ω 差分阻抗線的正態分布如圖4 和圖5 所示,50 Ω 單端阻抗線、90 Ω 差分阻抗線5%阻抗過程能力指數(complex process capability index,CPK)分別為0.59、0.60。
圖4 50 Ω阻抗過程能力分布
圖5 90 Ω阻抗過程能力分布
2.8.1 顯微鏡觀察
平磨PP,并用金相顯微鏡觀察玻纖分布,IT-988GSEBS 1078 66%經向玻纖布寬度介于210~250 μm,間距介于220~250 μm;緯向玻纖布寬度為430~460 μm,緯向玻纖布致密分布無間隙,如圖6所示。
圖6 經紗、緯紗顯微鏡觀察
2.8.2 圖形不旋轉、圖形旋轉5°對比反推Dk值
測量阻抗條阻值后打切片反推Dk值,阻抗線選擇上下層次PP 一致的L3、L5、L10、L12 層,反推Dk值。反推不旋轉圖形、旋轉圖形5°Dk平均值分別為2.57、2.58,不旋轉圖形反推Dk數據的極差為0.29,圖形旋轉5°反推Dk數據的極差為0.15,見表5。
表5 反推材料Dk數據
(1)通過上述設計、工藝、品質等方面管控,按5%阻抗要求完成線寬76 μm 的1.6T 光模塊板,阻抗良率為94.44%,CPK值約為0.6。
(2)反推Dk值與材料標定Dk值有差距,IT-988GSEBS 1078 66%反推Dk值約2.6,比標定Dk值3.2低約0.6。
(3)IT-988GSEBS 1078 66%反推Dk值極差僅為0.29,說明了玻纖扁平化有利于阻抗控制。
(4)圖形旋轉5°反推的介層Dk值極差為0.15,低于圖形不旋轉的反推Dk值極差0.29,可降低阻抗波動約1.4 Ω,說明圖形旋轉5°有利于阻抗控制。
阻抗是一個比例模型,在不改變阻抗因子比例的情況下,阻抗設計尺寸越小,對于板廠制作的難度越大;在改變阻抗因子比例的情況下,可以通過線寬、銅厚、介厚的比例變換,制作對制程能力友好的阻抗設計。材料實際應用后Dk值與原材料供應商標定Dk值的差別較大,需要反推Dk值。阻抗設計需綜合考慮線損銅損,有利于提高半成品阻抗設計精度。通過上述設計、工藝、品質等方面管控,在實際生產中,按5%阻抗公差管控完成1.6T光模塊板制作。