阻焊油墨对印制电路板传输线信号损耗的影响

魏华，杨伟栋，武军，张彦粉，郭鹏飞，孔真

（1.东莞职业技术学院，广东 东莞 523808；2.永发印务(东莞)有限公司，广东 东莞 523821）

阻焊油墨是通过丝网印刷、凹版印刷或喷墨打印等方式印在印制电路板(PCB)表面非焊接部位，经固化处理后形成阻焊油墨保护层，起到保护线路的作用。

随着5G时代的到来，电子信息产品迈入了千兆赫兹(GHz)的时代，高速印制电路逐渐成为研究的热点。信号传输的不断加快使得PCB的信号传输过程中更容易出现反射、串扰等信号完整性问题[1-3]。国内外众多学者对影响PCB信号完整性的因素进行了研究，得出主要影响因素可分为设计、材料(板材、铜箔、玻纤搭配等)与制作工艺三个方面[4-7]。阻焊油墨作为PCB制作过程中不可或缺的材料，对PCB外层线路信号传输损耗也有较大的影响[8-9]。本研究通过在高速PCB中设计损耗测试模块，研究对比阻焊油墨对微带线信号传输损耗的影响，为PCB设计及阻焊油墨的选用提供一定的参考。

1 实验

1.1 材料与设备

采用6种阻焊油墨，各自的生产厂家及性能见表1。采用M7和S7439这2种基材的PCB，它们的叠层和线路设计相同，外层微带线阻抗都是85 Ω，M7基PCB的外层微带线的线宽和线距分别为8.6 mil (1 mil ≈ 0.0254 mm)和5.4 mil，S7439基PCB的线宽和线距则分别为7.3 mil和6.7 mil。

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

主要设备：ATMAOE EW67TT双台式湿膜塞孔网印机，东远机械工业有限公司；GX51金相显微镜，奥林巴斯(中国)有限公司；E5071C矢量网络分析仪，安捷伦科技(中国)有限公司。

1.2 信号损耗测试模块设计

图1展示了PCB的叠层结构，有4层导体层。导体层L1与L2之间、L3与L4之间的绝缘介质层厚度均设计为100 μm，外层表面(即导体层L1和L4)设计差分线，差分线宽度为100 μm，长度4 in(1 in ≈ 2.54 cm)和24 in两种。绝缘介质层由玻纤布和树脂材料组成，玻纤布由玻璃纤维束交错编织而成，主要起支撑作用。为避免玻纤布交错对差分线信号传输串扰的影响，差分线与经纬向玻纤布间呈10°角，并采用蛇形绕线排布设计，如图2所示。

图1 PCB的叠层结构示意图Figure 1 Sketch showing the lamination structure of PCB

图2 外层表面差分线设计示意图Figure 2 Sketch showing the design of differential lines on outer layer

1.3 方法

如表2所示，利用丝印机将不同阻焊油墨印刷在M7和S7439基PCB表面，经曝光显影后烘烤1.5 h，备用。采用金相显微镜测量PCB上阻焊油墨的厚度；采用频域法并借助矢量网络分析仪对PCB的微带线进行插损测试和分析，测试频率为0 ~ 20 GHz。先测4 in短差分线的损耗，再测24 in长差分线的损耗，两者的损耗相减，再除以20 in，即得差分线纯走线上每英寸差分线的损耗。

表2 不同编号样品的基材及其表面阻焊油墨的类型Table 2 Codes for the samples of different substrates and with different solder-resistant inks thereon

2 结果与讨论

2.1 阻焊油墨厚度对信号损耗的影响

由图3可知，M7基材上的阻焊油墨及微带线表面的阻焊油墨均匀、平整。经测量，印刷1次DSR-330 S50-99G油墨时，基材表面阻焊油墨的平均厚度为54.5 μm，线路表面阻焊油墨的厚度为21 μm。印刷2次DSR-330 S50-99G油墨时，基材表面阻焊油墨的平均厚度为81.5 μm，线路表面阻焊油墨的厚度为32 μm。可见在电路板表面印刷2次阻焊油墨时的厚度明显大于印刷1次时，基材和线路表面的油墨厚度分别增大了27 μm和11 μm。

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

从图4可知，印刷阻焊油墨后，PCB在相同频率下的微带线信号损耗增大，并且随着频率增大而增大。当信号频率分别为5、7.5、12.5和15 GHz时，印刷2次DSR-330 S50-99G油墨时的信号损耗绝对值比印刷1次时分别增大了0.030、0.041、0.077和0.099 dB/in。这说明随阻焊油墨厚度增大，微带线信号损耗增大。

图4 DSR-330 S50-99G油墨厚度对M7基PCB微带线上信号损耗的影响Figure 4 Effect of thickness of DSR-330 S50-99G ink on insertion loss of microstrip line of M7-based PCB

从图5可知，印刷1次PSR-4000 ME油墨时，S7439基PCB表面阻焊油墨的平均厚度为53.5 μm，线路表面阻焊油墨的厚度为20 μm。印刷2次PSR-4000 ME油墨时，S7439基PCB表面阻焊油墨的平均厚度为78.5 μm，线路表面阻焊油墨的厚度为34 μm，均大于印刷1次时。

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

如图6所示，对以M7为基材的PCB表面印刷不同厚度的PSR-4000 ME阻焊油墨后，信号损耗的变化情况与印刷DSR-330 S50-99G油墨时相近。当信号频率分别为5、7.5、12.5和15 GHz时，印刷2次PSR-4000 ME阻焊油墨时信号损耗的绝对值比印刷1次时分别增大了0.018、0.027、0.070和0.095 dB/in。

图6 PSR-4000 ME油墨厚度对M7基PCB微带线上信号损耗的影响Figure 6 Effect of thickness of PSR-4000 ME ink on insertion loss of microstrip line of M7-based PCB

综上所述，同一频率下，随着油墨厚度增大，PCB微带线的信号损耗增大。油墨厚度相同时，随着信号频率的增大，PCB微带线的信号损耗也增大。

2.2 阻焊油墨类型对PCB信号损耗的影响

从图7可知，线宽叠层相同时，4种阻焊油墨对PCB信号损耗的影响程度排序为：PSR-2000 BL600 (C4) > PSR-4000 G23K(C3) > R-500 3R(C2) > PSR-4000 SN10(C1)。PSR-2000 BL600油墨的信号损耗最大，PSR-4000 SN10油墨的信号损耗最小。

图7 S7439基PCB在覆盖不同阻焊油墨后的信号损耗变化Figure 7 Variation of insertion loss of S7439-based PCB after being printed with different solder-resistant inks

根据传输线理论，传输线的介质损耗与频率(f)、介电常数(Dk)、损耗因子(Df)的关系可用式(1)[10]来表示。

由式(1)可见，介质材料的Dk或Df越小，表层传输线的信号损耗越小。表1显示样品C1−C4表面阻焊油墨的Dk和Df是依次增大的，图7的结果与之吻合。因此，为了减小表层传输线的信号损耗，应选用Dk和Df较小的阻焊油墨。

3 结论

微带线表面覆盖阻焊油墨后，信号损耗会增大。阻焊油墨越厚，信号损耗越大。阻焊油墨的介电常数或介质损耗因子越大，覆盖该类型阻焊油墨后，PCB表面微带线的信号损耗越大。

为了减少信号在微带线上的传输损耗，获得更好的信号完整性，可选用介电常数和介质损耗因子较小的阻焊油墨，且阻焊油墨印刷的厚度要尽可能小。