【技术】浅析表面处理对PCB最终性能的影响

时间： 2019-07-27 来源：Rogers

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铜是高频PCB材料的优良导体，在射频和微波频率下它通常具有较低的损耗。但是如果PCB电路不做表面处理，其表面的铜就会发生氧化，会给焊接或连接带来隐患。多年来，PCB制造商已经研发出了可靠的工艺用于铜的表面处理，例如在铜箔表面电镀镍、金、锡或银等材料。虽然这些材料可以提供保护，使铜免受氧化的影响，但除了银，其它大多数材料的导电性能都比铜低。结果是：这种电镀镀层不但不能降低导体的导电性能，还会因为镀层增加电路的插入损耗。

金被高度推荐为导体和电气连接点的最佳电镀材料，其具有较高的电导率（4.52 × 10⁷S/m），尽管仍小于铜的电导率（5.817 ×10⁷S/m），实际上银具有比铜更高的电导率（6.301 × 10⁷S/m）。往往镀银层的厚度非常薄，因此在较低频率下看不出这种高导电性能的好处。然而，随着频率的增高，趋肤深度越来越薄，具有比铜电导率更高的镀银层的可能会更显著。

最终表面处理对电路损耗的影响不仅取决于表面处理的类型，还取决于介质基板材料的厚度和传输线的类型，例如，微带线或接地共面波导（GCPW）。通常一个典型的微带电路：底层为接地层，顶层为微带信号层，介质基板材料位于两层之间。这种结构使得电场（E）和磁场（H）在微带传输线的边缘形成了较高的电流密度。对于电导率低于铜的材料，例如化学镍金（ENIG），传输线边缘的高电流密度将更多地流过电镀层，而不是镀层下面的铜，因此与纯铜相比，电镀导致了更高的导电损耗。

在铜上镀镍金的情况下，损耗与频率密切相关，随频率升高损耗越大。频率依赖性是由于电流在不同频率下会从不同深度的导体上流动，即所谓的“趋肤效应”。在较低的频率下，电流会从整个导体截面流过，但是在较高的频率下，电流仅沿着导体的外层或表面流动。随着微带传输线的频率增加，铜导体内流过的电流越来越少，而更多的电流在镀层表面流过。

对于采用ENIG技术进行表面处理的微带线（金、镍、铜三种导电金属依次由上而下覆盖），在不同的频率下电流会从这三种不同的金属中流过。在较低的RF频率下，所有三种导电金属中都会有电流流动；在较高的RF频率或者微波频率下，电流只在镍和金中流动；而在较高的微波频率或毫米波频率下，电流密度更多集中在微带线边缘，电流更多地以金作为导体；相比低频时电流在多种导体的情况，这时金的导电率特性就占导体损耗的主要部分。

电路布局和传输线的类型也能间接表明不同的表面处理如何影响高频电路的导体损耗。对于微带传输线，导体边缘的电流密度较高，由于趋肤效应，因此会产生一些损耗。但是在诸如共面波导（GCPW）的电路中，两个波导状传输线各自具有两个边缘，总共产生四个边缘，在电路的四个边缘处均有较高的电流密度。因此，对于具有四个导体边缘的共面波导电路，表面处理对高频损耗的影响要大于只有两个边缘的微带电路。

作为经过不同表面处理的不同传输线电路电性能差异的一种验证方法，对等长的微带线和GCPW电路进行宽带测量。电路均采用罗杰斯公司8mil厚的RO4003C 碳氢化合物陶瓷线路层压板，每个电路都采用两种表面处理方式：一个版本直接采用裸铜导体，另一个版本则采用ENIG表面处理。使用矢量网络分析仪（VNA）对四个电路进行10MHz至50GHz的宽带测量。对于两种电路类型，经过ENIG表面处理的电路和裸铜电路之间均产生了显著的差异。但经过ENIG表面处理的GCPW电路，产生了更大的损耗。

例如，对于微带电路，大约在2GHz时，无镀层（裸铜）电路和ENIG电路之间导体损耗的差异很小，但在高于该频率情况下，ENIG电路的损耗显著增加。与裸铜电路相比，ENIG微带线在10GHz时的损耗大约高出0.25dB，在40GHz时损耗超过0.5dB。使用裸铜导体的GCPW电路和使用ENIG表面处理的电路损耗差异更为显著，在10GHz时损耗约为0.5dB，在40GHz时损耗大于1dB。实验测量结果清楚地显示了在较高频率下的频率依赖性，同时也证明了，特定电路类型下经过表面处理的电路产生的影响不同。

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北冥之鲲 Lv8 2018-12-20

裸铜损耗是最低的，由于氧化问题在现实应用中无法实现，高频应用通常是镀镍金，对损耗要求非常高的话就需要沉银，这是损耗最低的表面处理工艺。
plhust Lv7. 资深专家 2020-07-20

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常大人 Lv5. 技术专家 2019-01-24

好文
Locust Lv7. 资深专家 2019-01-23

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lwtzpz Lv3. 高级工程师 2019-01-19

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NASA911 Lv8. 研究员 2019-01-18

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李晓龙 Lv8. 研究员 2019-01-17

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伏藏 Lv3. 高级工程师 2019-01-16

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Timm Lv9. 科学家 2019-01-16

不同表面处理对PCB的性能影响
情始皇 Lv5. 技术专家 2019-01-15

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