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最终表面处理镀层对RF PCB的性能影响
发布时间:2018-05-05 16:34:00 编辑:塔尖科技

由于种种不同的原因,PCB需要进行最终表面处理。这些原因中包括防止铜氧化、提高长期可靠性、提升装配效率等。无论理由是什么,最终表面处理都有可能会影响PCB的射频性能。最值得注意的是,最终表面处理通常会增加插入损耗。对于一些PCB配置,表面处理会严重影响插入损耗,而其他配置受影响则程度较低。由于PCB结构和/或电路设计各种可能出现的变化,最终表面处理或多或少会对插入损耗有影响。

除了银以外,大多数表面处理镀层的导电率都比铜低。普通的表面处理是化学镍金(ENIG),由于镍的导电率大约是铜的1/4,因此会导致插入损耗提高。除导电性问题外,镍还具有铁磁性,可能会由于磁场相互作用而进一步提高损耗。

以一个简单的两层铜箔微带电路为例,大部分电场和高电流密度区域位于信号平面和接地平面之间。在这种配置中,许多人可能会认为向铜上面添加金属不会影响电气性能,因为信号和接地平面之间的界面不会受到添加上去的金属的影响。然而,如果在微带传输线电路上进行简单的电磁建模,就会看到在信号导体的边缘处存在高电流密度,并且那里也是边缘电场较多的位置。在信号导体的转角处以及与基材表面的接合处,铜与最终表面处理的复合电导率会线路导体损耗出现差异。

导体损耗是插入损耗(电路的总RF损耗)的一个组成部分,而导体损耗提高将导致插入损耗提高。当电路的物理长度较短时,由于导体转角处的最终表面处理所引起的额外损耗非常小。然而,这种转角的效果会累积,并且,长度更长的相同设计的电路会由于最终表面处理而引入更高的插入损耗。

另一个考虑因素是电路的厚度,我们还是以简单的微带线电路作为参考。较薄的电路相对较厚的电路,受到导体损耗的影响更大。最终表面处理会影响电路的导体损耗,对于受导体损耗影响非常小的厚电路,由于最终表面处理导致的导体损耗的变化不那么显着。然而,更敏感的薄电路的导体损耗肯定会受到最终表面处理的影响,插入损耗变化也更加明显。

此外还有与电路设计相关的问题。带状线电路的大部分场被限制在多层PCB主体内,所以不会受到PCB外层的最终表面处理的显着影响。如前所述,微带线电路的插入损耗会受到最终表面处理的影响,其中,接地共面波导(GCPW)耗受到最终表面处理的影响较大,会有更高插入损耗。GCPW在地—信号—地面配置之间存在耦合场,而一般又位于电路的顶层铜层或信号层上。这些耦合场通常有四层最终表面处理,位于这些耦合导体的侧壁之间。另外,如果GCPW是紧密耦合(在地—信号—地之间有一个小空间),那么由于最终表面处理导致的损耗将比松散耦合的GCPW电路更高。

最终表面处理对插入损耗的影响与频率也有一定的相关性,主要原因是趋肤深度。RF电路的趋肤深度指的是RF电流流过导体的部分。在较高的频率下,电流只通过较少的导体横截面积,而在非常高的频率下,只有导体的“皮肤”上有电流通过。我们还是用微带线电路作为例子,在低频率时,使用ENIG表面处理的电路的信号导体转角部分的复合电导率由铜、镍和金的导电率构成。随着频率的增加,趋肤深度将减小,直到只有镍和金通过射频电流。此时,因为具有良好导电性的铜不再通过射频电流,所以会导致复合电导率变差。当频率更高时,趋肤深度导致射频电流主要通过金层,这是一个非常好的导体。然而,在这些非常高的频率下,还会有其他的电路RF特性会改变,造成与最终表面处理无关的更多损耗。

最终表面处理对插入损耗造成的影响取决于电路厚度、设计和频率。一般来说,较薄的电路对于与导体效应有关的差异更为敏感,并且与相同设计的厚电路相比,薄电路的插入损耗变化更加显着。另外,由于最终表面处理,GCPW将受到比微带线电路更多的插入损耗变化。最后,随着频率的增加,趋肤深度变薄,电流流过更少的导体,与表面处理相关的损耗可能变得更加显着。

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