1.6T高速传输光模块PCB阻抗研究.pdf

设计/CAM Design/CAM印制电路信息 2024 No.21.6T高速传输光模块PCB阻抗研究邹冬辉 王立刚 陶锦滨（深圳市强达电路有限公司，广东 深圳 518000）摘要光模块是光纤通信中的重要组成部分，其中光模块印制电路板（PCB）表面有高速传输信号线，高可靠性和低信号损耗是5G光模块产品的新要求，控制好阻抗和信号损耗等是做好光模块产品的关键。选取一款14层1.6T高速光模块PCB产品，研究此类产品如何从设计、工艺、品质方面进行管控作业，以期为业界技术工作者提供参考。关键词光模块；印制电路板；阻抗；信号损耗中图分类号：TN41文献标志码：A文章编号：10090096（2024）02001405Research on impedance of 1.6T high speed transmission optical module printed circuit boardZOU Donghui WANG Ligang TAO Jinbin(Shenzhen Q&D Circuit Co.,Ltd.,Shenzhen 518000,Guangdong,China)AbstractOptical modules is an important part of optical fiber communication.The surface of the printed board of optical modules has high-speed transmission signal lines,and high reliability and low signal loss are the new requirements of 5G optical module products.Controlling impedance and signal loss is the key to do a good job in optical module products.Taking the 14-layer 1.6T high-speed optical module printed board products as an example,control operations are analyzed in terms of design,process,and peoduct quality,so as to provide relevant reference for technical workers in the industry.Key wordsoptical module;printed circuit board(PCB);impedance;loss of signal0引言随着5G电子技术的快速发展和6G技术的推进研发，光模块的传输速率在逐渐提高，对印制电路板（printed circuit board，PCB）的阻抗要求越来越严格，要求阻抗公差从10%缩小到8%再缩小到5%，这对于PCB阻抗制作而言提出了很大挑战。本文通过对 1.6T（信号传输速率 1.6 Tbit/s）高速传输光模块 PCB达到 5%阻抗这一过程进行研究，为高速光模块阻抗控制提供参考。作者简介：邹冬辉（1989），男，高级工程师，主要研究方向为PCB新产品。-14印制电路信息 2024 No.2设计/CAM Design/CAM1阻抗相关概念1.1阻抗的特性阻抗是表示元件性能或一段电路电性能的物理量，是在具有电阻、电感和电容的电路里，对电路中的电流所起的阻碍。阻抗是一个比例模型，在PCB上当基材Dk不变时，其余参数（如线宽、间距、铜厚、介厚、阻焊涂覆等）等比例放大或缩小，其阻抗值不变，如图1所示。了解阻抗比例模型，能更好地指导板厂选材，合理分配设计因子的比例，制作阻抗良率更高的阻抗板。等比例阻抗模型对比情况见表1。1.2Dk模拟推理介绍Polar Si9000作为理想情景下的阻抗电磁场求解器，其模拟的介质视为分布均匀的材料，但实际上环绕在阻抗线周围的主要为树脂，即导线强磁场附近是Dk较低的树脂，成品反推出的材料Dk必然低于材料厂商的标定Dk值。因此，设计阻抗时需要反推Dk值，重新定义材料Dk值。根据以往经验，反推出的Dk值的极差有大有小，其中 106玻纤布、1080玻纤布的 Dk极差大，玻纤扁平化或开纤处理的1078玻纤布等的Dk极差小。因此，为匹配 1.6T光模块 5%阻抗，选材上优选玻纤扁平化或开纤处理后的材料。此外，将材料或图形旋转310，有利于提高光模块材料实际应用Dk的稳定性。2实验部分2.1材料选择与叠构设计生产14层1.6T高速传输光模块印制板，进行5%阻抗公差技术研究。半固化片（prepreg，PP）材料使用扁平化或开纤玻纤布，铜箔选用低粗糙度铜箔。材料选用IT-988GSE系列、建滔HVLP、RTF铜箔，叠构设计如图2所示。2.2排版设计在制板尺寸520 mm311 mm，设计6单元图形，其中3单元图形旋转5，3单元图形不旋转，面板（panel，PNL）长宽各留边42 mm、58 mm。2.3阻抗影响因素设计（1）根据我司此前反推的 IT-988GSE 系列实际Dk数据，设计应用Dk值=供应商Dk0.6。（2）计算介厚采用PNL残铜率，准确计算以严格控制压合后PP厚度偏差。（3）内层棕化造成相应线损铜损，计算半成品阻抗时可考虑加上线损铜损，以使成品铜厚、线宽更接近阻抗设计模拟中值，阻焊前处理采用磨板工艺，因此外层蚀刻后管控线宽与成品阻抗线线宽一致。图1阻抗模型表1等比例阻抗模型对比因素基材厚度H1/m基材介质Dk下线宽W1/m上线宽W2/m间距S1/m线路铜厚T1/m基材上油墨厚度C1/m线路上油墨厚度C2/m线路间油墨厚度C3/um油墨介质Dk计算阻抗值/原始设计1003.2910075100404015403.5100.022倍设计2003.2910075200808030803.5100.02图2PCB叠构设计-15设计/CAM Design/CAM印制电路信息 2024 No.22.4阻抗因素设计与过程管控（1）板厚设计与误差控制见表2。（2）阻抗因子设计与误差控制见表3。2.5工艺设计1.6T 高速传输光模块 PCB 板工艺流程图如 图3所示。2.6过程数据收集板厚、切片介厚、铜厚、线宽、半成品阻值过程测量数据，按2.4节过程管控参数管控，过程切片介厚按极差10 m管控。2.7阻抗结果阻焊后全测阻抗，实测阻抗值见表4，测量阻表2开料、压合后板厚设计单位：mm压合阶段压合后板厚芯板0.10.010一压0.450.045二压0620.062三压0.800.080四压0.970.097五压1.130.113表3阻抗因子设计与误差控制序号123456789101112131415161718类型外层单端外层单端共面外层单端外层单端共面外层差分共面外层差分共面外层差分内层单端内层单端内层单端内层单端内层单端内层单端内层单端内层差分内层差分内层差分内层差分控制层L1L1L14L14L1L14L1L2L13L7L3L5L10L12L3L5L10L12参考层L2L2L13L13L2L13L2L1/L3L12/L14L6/L8L2/L4L4/L6L9/L11L11/L13L2/L4L4/L6L9/L11L11/L13客户阻值(5%)/5050505090901005050505050505090909090要求公差（)/%555555555555555555线宽/m1221171221171301301017171807474747488888888线距/m175175153161161161161线到铜/m135135202202铜厚/m383838383838382323162323232323232323蚀刻前管控铜厚/m405405405405405405405252252181252252252252252252252252蚀刻后管控线宽/m12210117101221011710130101301010110765765855795795795795935935935935管控半成品阻值/54.65.056.35.054.65.056.35.0100.54.5100.54.5113.55.072.82.572.82.568.42.072.32.572.52.572.52.572.32.5123.84.5124.44.5124.44.5123.84.5图3工艺流程-16印制电路信息 2024 No.2设计/CAM Design/CAM抗线合计 108 根，阻抗达标 102 根，阻抗良率为94.44%。50 单端阻抗线、90 差分阻抗线的正态分布如图4和图5所示，50 单端阻抗线、90 差分阻抗线5%阻抗过程能力指数（complex process capability index，CPK）分别为0.59、0.60。2.8反推Dk值2.8.1显微镜观察平磨PP，并用金相显微镜观察玻纤分布，IT-988GSEBS 1078 66%经向玻纤布宽度介于 210250 m，间距介于220250 m；纬向玻纤布宽度为430460 m，纬向玻纤布致密分布无间隙，如图6所示。2.8.2图形不旋转、图形旋转 5对比反推Dk值测量阻抗条阻值后打切片反推Dk值，阻抗线选择上下层次 PP 一致的 L3、L5、L10、L12 层，表4实测成品阻值数据单位：要求（502.5）50.3748.7952.0151.1650.5150.0949.2650.6048.7149.6650.6350.8749.2951.5150.6650.0149.5949.9051.7148.2250.3249.6450.1051.3248.9148.2049.8349.7449.4350.9949.8649.9449.3750.5549.0851.2149.3250.3550.4348.9050.7147.2249.3248.6453.1150.7552.1550.4452.3150.7149.8850.8550.5751.0553.3950.2950.9551.0551.3049.7949.7048.5451.5551.7850.5552.92要求（904.5）92.1190.8488.9888.1392.7191.9286.5889.2090.6194.6489.9387.3190.9492.3790.9293.4490.3892.9387.6192.2589.8493.5391.2889.1991.1188.7589.9784.6990.0889.2087.7893.5891.4087.9392.2889.59（1005）99.7098.9099.6097.7097.10101.00图450 阻抗过程能力分布图590 阻抗过程能力分布图6经纱、纬纱显微镜观察-17设计/CAM Design/CAM印制电路信息 2024 No.2反推Dk值。反推不旋转图形、旋转图形5 Dk平均值分别为 2.57、2.58，不旋转图形反推 Dk数据的极差为 0.29，图形旋转 5反推 Dk数据的极差为0.15，见表5。（1）通过上述设计、工艺、品质等方面管控，按5%阻抗要求完成线宽76 m的1.6T光模块板，阻抗良率为94.44%，CPK值约为0.6。（2）反推 Dk值与材料标定 Dk值有差距，IT-988GSEBS 1078 66%反推 Dk值约 2.6，比标定 Dk值3.2低约0.6。（3）IT-988GSEBS 1078 66%反推Dk值极差仅为0.29，说明了玻纤扁平化有利于阻抗控制。（4）图形旋转5反推的介层Dk值极差为0.15，低于图形不旋转的反推Dk值极差0.29，可降低阻抗波动约 1.4，说明图形旋转 5有利于阻抗控制。3结语阻抗是一个比例模型，在不改变阻抗因子比例的情况下，阻抗设计尺寸越小，对于板厂制作的难度越大；在改变阻抗因子比例的情况下，可以通过线宽、铜厚、介厚的比例变换，制作对制程能力友好的阻抗设计。材料实际应用后Dk值与原材料供应商标定Dk值的差别较大，需要反推Dk值。阻抗设计需综合考虑线损铜损，有利于提高半成品阻抗设计精度。通过上述设计、工艺、品质等方面管控，在实际生产中，按5%阻抗公差管控完成1.6T光模块板制作。参考文献 1 雷璐娟,雷川,李金鸿,等.高速PCB插损影响因子研究J.印制电路信息,2022,30(增刊1):2834.2 张军杰,陈波,张峰,等.光模块印制电路板特性及关键技术介绍J.印制电路信息,2022,30(1):6266.3 曾祥福,郑晓蓉,周刚,等.光模块PCB工艺研究J.印制电路信息,2019,27(3):4650.表5反推材料Dk数据标定Dk3.2图形旋转情况图形不旋转图形旋转5反推Dk值2.632.622.542.582.572.512.552.582.582.542.582.592.502.562.472.622.562.642.682.672.432.642.622.592.562.392.532.492.612.50反推Dk平均值2.572.58极差0.290.15-18