阻焊油墨對印制電路板傳輸線信號損耗的影響

魏華，楊偉棟，武軍，張彥粉，郭鵬飛，孔真

（1.東莞職業技術學院，廣東 東莞 523808；2.永發印務(東莞)有限公司，廣東 東莞 523821）

阻焊油墨是通過絲網印刷、凹版印刷或噴墨打印等方式印在印制電路板(PCB)表面非焊接部位，經固化處理后形成阻焊油墨保護層，起到保護線路的作用。

隨著5G時代的到來，電子信息產品邁入了千兆赫茲(GHz)的時代，高速印制電路逐漸成為研究的熱點。信號傳輸的不斷加快使得PCB的信號傳輸過程中更容易出現反射、串擾等信號完整性問題[1-3]。國內外眾多學者對影響PCB信號完整性的因素進行了研究，得出主要影響因素可分為設計、材料(板材、銅箔、玻纖搭配等)與制作工藝三個方面[4-7]。阻焊油墨作為PCB制作過程中不可或缺的材料，對PCB外層線路信號傳輸損耗也有較大的影響[8-9]。本研究通過在高速PCB中設計損耗測試模塊，研究對比阻焊油墨對微帶線信號傳輸損耗的影響，為PCB設計及阻焊油墨的選用提供一定的參考。

1 實驗

1.1 材料與設備

采用6種阻焊油墨，各自的生產廠家及性能見表1。采用M7和S7439這2種基材的PCB，它們的疊層和線路設計相同，外層微帶線阻抗都是85 Ω，M7基PCB的外層微帶線的線寬和線距分別為8.6 mil (1 mil ≈ 0.0254 mm)和5.4 mil，S7439基PCB的線寬和線距則分別為7.3 mil和6.7 mil。

表1 6種阻焊油墨的物理性能Table 1 Physical properties of six kinds of solder-resistant inks

主要設備：ATMAOE EW67TT雙臺式濕膜塞孔網印機，東遠機械工業有限公司；GX51金相顯微鏡，奧林巴斯(中國)有限公司；E5071C矢量網絡分析儀，安捷倫科技(中國)有限公司。

1.2 信號損耗測試模塊設計

圖1展示了PCB的疊層結構，有4層導體層。導體層L1與L2之間、L3與L4之間的絕緣介質層厚度均設計為100 μm，外層表面(即導體層L1和L4)設計差分線，差分線寬度為100 μm，長度4 in(1 in ≈ 2.54 cm)和24 in兩種。絕緣介質層由玻纖布和樹脂材料組成，玻纖布由玻璃纖維束交錯編織而成，主要起支撐作用。為避免玻纖布交錯對差分線信號傳輸串擾的影響，差分線與經緯向玻纖布間呈10°角，并采用蛇形繞線排布設計，如圖2所示。

圖1 PCB的疊層結構示意圖Figure 1 Sketch showing the lamination structure of PCB

圖2 外層表面差分線設計示意圖Figure 2 Sketch showing the design of differential lines on outer layer

1.3 方法

如表2所示，利用絲印機將不同阻焊油墨印刷在M7和S7439基PCB表面，經曝光顯影后烘烤1.5 h，備用。采用金相顯微鏡測量PCB上阻焊油墨的厚度；采用頻域法并借助矢量網絡分析儀對PCB的微帶線進行插損測試和分析，測試頻率為0 ~ 20 GHz。先測4 in短差分線的損耗，再測24 in長差分線的損耗，兩者的損耗相減，再除以20 in，即得差分線純走線上每英寸差分線的損耗。

表2 不同編號樣品的基材及其表面阻焊油墨的類型Table 2 Codes for the samples of different substrates and with different solder-resistant inks thereon

2 結果與討論

2.1 阻焊油墨厚度對信號損耗的影響

由圖3可知，M7基材上的阻焊油墨及微帶線表面的阻焊油墨均勻、平整。經測量，印刷1次DSR-330 S50-99G油墨時，基材表面阻焊油墨的平均厚度為54.5 μm，線路表面阻焊油墨的厚度為21 μm。印刷2次DSR-330 S50-99G油墨時，基材表面阻焊油墨的平均厚度為81.5 μm，線路表面阻焊油墨的厚度為32 μm。可見在電路板表面印刷2次阻焊油墨時的厚度明顯大于印刷1次時，基材和線路表面的油墨厚度分別增大了27 μm和11 μm。

圖3 M7基PCB印刷DSR-330 S50-99G油墨后的截面金相圖像Figure 3 Cross-sectional metallographs of M7-based PCB after being printed with DSR-330 S50-99G ink

從圖4可知，印刷阻焊油墨后，PCB在相同頻率下的微帶線信號損耗增大，并且隨著頻率增大而增大。當信號頻率分別為5、7.5、12.5和15 GHz時，印刷2次DSR-330 S50-99G油墨時的信號損耗絕對值比印刷1次時分別增大了0.030、0.041、0.077和0.099 dB/in。這說明隨阻焊油墨厚度增大，微帶線信號損耗增大。

圖4 DSR-330 S50-99G油墨厚度對M7基PCB微帶線上信號損耗的影響Figure 4 Effect of thickness of DSR-330 S50-99G ink on insertion loss of microstrip line of M7-based PCB

從圖5可知，印刷1次PSR-4000 ME油墨時，S7439基PCB表面阻焊油墨的平均厚度為53.5 μm，線路表面阻焊油墨的厚度為20 μm。印刷2次PSR-4000 ME油墨時，S7439基PCB表面阻焊油墨的平均厚度為78.5 μm，線路表面阻焊油墨的厚度為34 μm，均大于印刷1次時。

圖5 M7基PCB印刷PSR-4000 ME油墨后的截面金相圖像Figure 5 Cross-sectional metallographs of M7-based PCB after being printed with PSR-4000 ME ink

如圖6所示，對以M7為基材的PCB表面印刷不同厚度的PSR-4000 ME阻焊油墨后，信號損耗的變化情況與印刷DSR-330 S50-99G油墨時相近。當信號頻率分別為5、7.5、12.5和15 GHz時，印刷2次PSR-4000 ME阻焊油墨時信號損耗的絕對值比印刷1次時分別增大了0.018、0.027、0.070和0.095 dB/in。

圖6 PSR-4000 ME油墨厚度對M7基PCB微帶線上信號損耗的影響Figure 6 Effect of thickness of PSR-4000 ME ink on insertion loss of microstrip line of M7-based PCB

綜上所述，同一頻率下，隨著油墨厚度增大，PCB微帶線的信號損耗增大。油墨厚度相同時，隨著信號頻率的增大，PCB微帶線的信號損耗也增大。

2.2 阻焊油墨類型對PCB信號損耗的影響

從圖7可知，線寬疊層相同時，4種阻焊油墨對PCB信號損耗的影響程度排序為：PSR-2000 BL600 (C4) > PSR-4000 G23K(C3) > R-500 3R(C2) > PSR-4000 SN10(C1)。PSR-2000 BL600油墨的信號損耗最大，PSR-4000 SN10油墨的信號損耗最小。

圖7 S7439基PCB在覆蓋不同阻焊油墨后的信號損耗變化Figure 7 Variation of insertion loss of S7439-based PCB after being printed with different solder-resistant inks

根據傳輸線理論，傳輸線的介質損耗與頻率(f)、介電常數(Dk)、損耗因子(Df)的關系可用式(1)[10]來表示。

由式(1)可見，介質材料的Dk或Df越小，表層傳輸線的信號損耗越小。表1顯示樣品C1?C4表面阻焊油墨的Dk和Df是依次增大的，圖7的結果與之吻合。因此，為了減小表層傳輸線的信號損耗，應選用Dk和Df較小的阻焊油墨。

3 結論

微帶線表面覆蓋阻焊油墨后，信號損耗會增大。阻焊油墨越厚，信號損耗越大。阻焊油墨的介電常數或介質損耗因子越大，覆蓋該類型阻焊油墨后，PCB表面微帶線的信號損耗越大。

為了減少信號在微帶線上的傳輸損耗，獲得更好的信號完整性，可選用介電常數和介質損耗因子較小的阻焊油墨，且阻焊油墨印刷的厚度要盡可能小。