1.6T高速傳輸光模塊PCB阻抗研究

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）

0 引言

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。

1 阻抗相關概念

1.1 阻抗的特性

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

1.2 Dk模擬推理介紹

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。

2 實驗部分

2.1 材料選擇與疊構設計

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

2.2 排版設計

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。

2.3 阻抗影響因素設計

（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。

2.4 阻抗因素設計與過程管控

（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

2.5 工藝設計

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

2.6 過程數據收集

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。

2.7 阻抗結果

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 反推Dk值

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。

3 結語

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。