Page 30 - 電路板季刊第88期

28 專業技術 銅導線表面處理與銅箔粗糙度對5G高頻高速傳輸的影響

(ii)導體損耗(conductor loss)：其包括直流電(direct current, DC)電阻損耗及交流電
(alternating current, AC)電阻損耗兩種。導體損耗與導體總電阻有關。就帶狀線
(stripline)及微帶線(microstrip line)而言，其導體總電阻可藉由下式作估算[9]：

(2)

其中，R total代表導體總電阻；R bulk代表直流電阻；R ac代表交流電阻；σ 代表導體導
電率(bulk conductivity)；A代表導線橫截面的面積；l代表相對集膚深度的有效周長
(effective perimeter with respect to the skin depth)。

由Eq. (2)得知，導體總電阻(R total)係由直流電阻(R bulk)與交流電阻(R ac)所構成。對於
R bulk而言，其主要受導線的尺寸(A)及材料導電率(σ)所影響。因此，在相同材質下(σ 相
同)，當電流通過一導線之橫截面(A )越大時，其直流電阻越小。由此可知，導線的幾
何設計及材質選用對介入損耗而言是相當重要的。另一方面，交流電阻(R ac)則與集膚
深度(δ)成反比。當傳輸頻率上升時，集膚深度將隨之變小(Eq. 1)，導致交流電阻上升
(Eq. 2)，進而影響到通訊系統中的傳輸品質[10–11]。另一方面，相對於真空之磁導率
(μ r)較高將使得材料集膚深度變小(Eq. 1)，造成交流電阻(R ac)大幅上升(Eq. 2)，進而增
加交流電阻損耗。總括來說，高頻率及高磁導率將導致交流電阻損耗上升，導體損耗
加劇。

當傳輸訊號波長縮小到毫米尺度時，導體內的電流將集中在導體外表作傳輸，而
非均勻分佈在導體內部(集膚效應) (圖2) [9]。有鑑於導線表面粗糙度及其表面處理將是
影響高頻傳輸品質的重要因子，筆者特將2019 IMPACT會議中所發表的兩篇相關論文
彙整後與讀者們分享。(1. Effect of Surface Finish on Signal Loss of Cu Interconnects in
5G High-frequency Transmission [12]; 2. Roughness Effect of Cu Interconnects on Signal
Transmission Performance in 5G Communication Applications [13])

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微帶線(microstrip line)、帶狀線(stripline)、和共面波導(coplanar waveguide,
CPWG)是業界常見的三種傳輸線結構。因篇幅關係，各傳輸線設計的優缺點將不在此
贅述，其比較可參閱[14]。在傳輸線設計時，銅導線寬度、銅膜厚度、板材的介電常
數(Dk)、及介電損耗(Df)等材料參數都將反映在其特性阻抗(characteristic impedance,
Z 0)，往往需最先被考慮進來。本文底下擬以微帶線結構(圖4)來進行傳輸線設計說明。

圖4為在一PCB上所設計出的微帶線結構，為同時達到傳輸功率及訊號損耗的平
衡，本文設計採用業界常用之50 Ω特性阻抗(Z 0)進行導線的設計。銅導線寬度為0.151
µm，銅膜厚為25 µm，介質厚度為75 µm (Dk = 3.5; Df = 0.003 @10 GHz)。本文擬藉
此一導線結構，探討銅箔粗糙度(第四節)及銅導線表面處理(第五節)對5G高頻傳輸的影
響。藉此材料特性對高頻影響的量化分析，吾人可進一步透過材料改質與配置來提升
高頻傳輸品質。