SFP光模块PCB制作工艺研究

安国义 严来良 李长生 文泽生

（深圳市深联电路有限公司，广东 深圳 518104）

SFP光模块PCB制作工艺研究

安国义 严来良 李长生 文泽生

（深圳市深联电路有限公司，广东 深圳 518104）

在SFP光模块PCB高速/高频信号传输存在趋肤效应的条件下，分析了“镀水金+镀厚金”常规工艺信号传输线镀覆镍金对信号传输的影响，研究出“镀厚金+沉金”工艺，实现了信号传输线无镀覆镍金，有利于信号完整性控制，并保证了PCB长短金手指完整性良好（无残缺、无残留镀金导线头、无尖角等异常）。

SFP光模块；长短印制插头（金手指）；趋肤效应

1 前言

SFP（Small Form-factor Pluggables Transceiver）光模块，是一种小型的可热插拔的光学收发器，将千兆位电信号转换为光信号，数据传输最大速率可达4.25 Gbps，主要应用于千兆以太网、千兆光通道、交换机接口、交换背板等通信领域。

SFP光模块具有热插拔功能和高速传输速率的特点。为了实现热插拔功能，其插拔电接口于PCB上采用长短手指设计，并于手指上镀厚金（金厚≥0.5 µm，镍厚≥3.7 µm，以实现其具有防氧化、耐磨擦性能）。高速传输速率条件下信号传输线存在趋肤效应的影响，传输线金属材质不同，趋肤效应的程度不同。因而SFP光模块PCB制作，如何降低产品在高速/高频条件下趋肤效应的影响，同时实现于长短手指这种不规则手指上镀厚金，并保证金手指形状完整性良好（无残缺、无残留镀金导线头、无尖角等异常），成为PCB行业关注的技术问题。

2 长短金手指设计原理分析

SFP光模块电接口采用特定的上电顺序，可以通过预充电减少浪涌电流，从而避免热插拔对器件的损坏。在热插拔时设定一个上电与断电顺序，插入时按地、电源、信号的顺序上电，拔出时按信号、电源、地的顺序断电。上电时，加电源先于信号线，可以在接入系统前对光模块上的电容充电，有效地减少瞬态冲击电流。电源引脚和信号引脚的通电和断电过程中，光模块都良好的接地，有利于静电放电，消除电弧的影响。因而电接口引脚于PCB上设计为长短金手指，最长的是地，其次是电源，最短是信号。根据SFP光模块协议，各电接口引脚PCB长短金手指功能定义如图1所示。

图1 PCB长短金手指图

3 高速/高频信号的趋肤效应

交变电流通过导体时，由于感应作用引起导体截面上电流分布不均匀，愈近导体表面电流密度越大。这种现象称“趋肤效应”。趋肤效应使导体的有效电阻增加。频率越高，趋肤效应越显著。当频率很高的电流通过导线时，导线内部实际上电流很小,电流集中在临近导线外表的一薄层，使导线通过交变电流的有效截面积减小，导线的电阻增大，导线电阻的增加，使它的损耗功率也增加。趋肤效应厚度计算公式如式（1）。

式中：δ——趋肤厚度

ω——角频率（＝2πf）

µ——导体的绝对导磁率

ρ——导体的电阻率

以导体铜、金、镍为例，在室温条件下，随着信号传输频率的提高，其在导体内传输厚度变小，具体如表1所示。

表1 信号传输频率与趋肤效应厚度

同一频率下，趋肤效应厚度越小，说明受趋肤效应的影响越大，从表1中可以看出，受趋肤效应影响的程度大小为：镍＞铜＞金。

高速数字信号传输，其数据传输速率公式如式（2）～式（4）。

式中：S为数据传输速率；T为一个数字脉冲信号的宽度（全宽码）或重复周期（归零码），单位为秒；N为一个码元所取的离散值个数。通常N＝2K，K为二进制信息的位数，K＝log2N。N＝2时，S＝f，表示数据传输速率等于码元脉冲的重复频率。因而当光模块数据传输速率为4.25 Gbps时，其频率为4.25 GHz。因此高速信号传输亦存在趋肤效应，其趋肤效应厚度参考高频信号。

4 “镀水金+镀厚金”常规工艺分析

4.1 制作流程

目前SFP光模块PCB产品常规工艺为“镀水金＋镀厚金”工艺，即采用线路位图形镀水金（镀薄金，且为纯金）后于手指位镀厚金的流程，以金作为抗蚀刻层进行碱性蚀刻，完成线路图形制作。具体流程如图2所示：

图2 “镀水金+镀厚金”工艺制作流程图

4.2 PCB信号传输线金属层结构分析

为了抗蚀刻，所有线路位置须镀水金，从而PCB产品信号传输线金属层含有铜层、镍层、金层，各金属层结构如图3所示：

图3 PCB信号线各金属层结构图

各金属层厚度及其电阻率如表2所示：

表2 PCB信号线各金属层厚度及其电阻率

从表2中可以看出， PCB信号线各金属层电阻率大小顺序为：镍＞金＞铜。

各金属层及真空电磁率如表3所示：

表3 各介质导磁率

从表3中可以看出， PCB信号线各金属层导磁率大小顺序为：镍＞金＞铜。根据公式（1），导磁越大，趋肤厚度越小，趋肤效应影响越大。

4.3 金镍层对信号传输的影响分析

SFP光模块PCB数据传据速率越高，趋肤效应越明显，信号传输的横截面积越小。传输速率大于1 Gbps时，根据表1和表2中数据所示，信号将处理镍层和金层中传输（主要是镍层）。根据表1数据所示，同一频率，在电阻率及导磁率综合影响下，趋肤深度镍为最小，趋肤效应的影响最大。

比铜更大的电阻率、相同频率下更小趋肤深度，使得在镍层中传输的信号受到更大的电阻，更多的功率损耗。因而PCB传输线镀水金的工艺，不利于产品信号完整性控制，传输速率越大，信号失真的风险就越大。

5 “镀厚金+沉金”工艺研究

高速/高频信号传输，在同一传输速率条件下，因铜具有较低的导磁率，趋肤深度比镍大，受趋肤效应的影响更小，同时具有较低的电阻率，电阻更小，功率损耗低。因而高速/高频信号处于铜层中传输，产品更有利于信号完整性控制，更有利于降低信号失真的风险。

为了避免信号传输线铜层上镀覆镍金，计划采用只对焊接盘沉金、手指位镀厚金（简称：镀厚金+沉金）的工艺。该工艺存在着对镀金引线清除过程中保证对不规则长短金手指完整性（无残缺、无残留镀金导线头、无尖角等异常）的困难，产品制作须对工艺制作流程及工具设计进行研究。

5.1 制作流程

为了保证金手指完整性，外层图形采用包括选择性沉金在内共五次图形转移，具体流程如图4所示。

图4 “镀厚金+沉金”工艺制作流程图

5.2 关键图形设计与制作

表3 镀厚金+沉金工艺关键图形设计与制作

图5 外层图形1

图6 外层蚀刻1

图7 外层图形2

图8 外层图形3

图9 外层图形4

图10 外层蚀刻2

图11 外层图形5

图12 产品完整图

图13 金手指完整性图

通过外层设计五次图形转移流程，保证了信号传输线无镀覆镍金，并实现了手指位镀厚金和金手指形状完整性良好（无残缺、无残留镀金导线头、无尖角等异常）。产品完整图如图12所示，金手指完整性图13所示。

6 结论

SFP光模块PCB在高速/高频信号传输条件下，受趋肤效应的影响，频率越高，趋肤效应越显著，电阻越大，功率损耗越大，越影响信号完整性控制，信号失真的风险越大。信号传输线金属材质不同，受趋肤效应的影响不同，影响程度依次为：镍＞铜＞金。因而在趋肤效应下，信号传输处于铜层中的“镀厚金+沉金”工艺的产品比信号传输线处于主要处于镍层中传输的“镀水金+镀厚金”工艺的产品电阻更小，功率损耗更低，更有利于信号完整性控制。

为使信号处于铜层中传输，须避免信号传输线镀覆镍金，通过制作流程及关健图形的设计，实现了只对PCB焊接盘沉镍金、手指位镀厚金，并保证了金手指完整性良好（无残缺、无残留镀金导线头、无尖角等异常），成功实现了“镀厚金+沉金”工艺的开发。

[1] 林金堵. 信号传输高频化和高速数字化对PCB的挑战(1)[J]. 印制电路信息, 2008,10:15-18.

A study to the fabrication process of PCB used in SFP optical module

AN Guo-yi YAN Lai-liang LI Chang-sheng WEN Ze-sheng

Under the condition of skin effect which exists in the transmission of high speed/high-frequency signal, this paper analyzes the effect of signal transmission line plated by Nickel-Gold to the signal transmission which is produced by conventional "Flash Gold + Hard Gold" technique, proposes a new technic "Hard Gold +Immersion Gold", fulf i lls no Nickel-Gold plating on signal transmission line, benef i ts the control of signal integrity as well as the appearance integrity of long/short gold fi nger(no defects, no residual gold-plating lead head, no acute corners or other abnormal results).

SFP optical module; long/short gold fi nger; skin effect

TN41 < class="emphasis_bold">文献标识码：A文章编号：

1009-0096（2012）08-0030-04

介绍安国义，营运总监，技术中心主任，拥有多年的印制电路板工艺研发管理、工程管理、市场管理、生产管理经验。