PCB板材选取与高频PCB制板工艺要求(V2)详细讲解教程



商悦传媒   2019-04-10 12:10

导读: 近年来在无线通信、光纤通信、高速数据网络产品不断推出,信息处理高速化、无线模拟前端模块化,这些对数字...

  近年来在无线通信、光纤通信、高速数据网络产品不断推出,信息处理高速化、无线模拟前端模块化,这些对数字信号处理技术、IC工艺、微波PCB设计提出新的要求,另外对PCB板材和PCB工艺提出了更高要求。

  如商用无线通信要求使用低成本的板材、稳定的介电常数(r变化误差在1-2%间)、低的介电损耗(0.005以下)。具体到手机的PCB板材,还需要有多层层压、PCB加工工艺简易、成品板可靠性高、体积小、集成度高、成本低等特点。为了挑战日益激烈的市场竞争,电子工程师必须在材料性能、成本、加工工艺难易及成品板的可靠性间采取折衷。

  目前可供选用的板材很多,有代表性的常用板材有:环氧树脂玻璃布层压板FR4、多脂氟乙烯PTFE、聚四氟乙烯玻璃布F4、改性环氧树脂FR4等。特殊板材如:卫星微波收发电路用到蓝宝石基材和陶瓷基材;微波电路基材GX系列、RO3000系列、RO4000系列、TL系列、TP-1/2系列、F4B-1/2系列。它们使用的场合不同,如FR4用于1GHz以下混合信号电路、多脂氟乙烯PTFE多用于多层高频电路板、聚四氟乙烯玻璃布纤维F4用于微波电路双面板、改性环氧树脂FR4用于家用电器高频头(500MHz以下)。由于FR4板材易加工、成本低、便于层压,所以得到广泛应用。

  下面我们从微带传输线特性、多层板层压工艺、板材参数性能比较等多个方面分析,给出了对于特殊应用的PCB板材选取方案,总结了高频信号PCB设计要点,供广大电子工程师参考。

  板材的性能指标包括有介电常数r、损耗因子(介质损耗角正切)tg、表面光洁度、表面导体导电率、抗剥强度、热涨系数、抗弯强度等。其中介电常数r、损耗因子是主要参数。

  高速数据信号或高频信号传输常用到微带线(Microstrip Line),由附着在介质基片两边的导带和导体接地板构成,且导带一部分暴露在空气中,信号在介质基片和空气这两种介质中传播引起传输相速不等会产生辐射分量、如果合理选用微带尺寸这种分量很小。

  其中e叫有效介电常数,是把两种介质对微带特性阻抗的贡献等效为一种假想的均匀介质。

  图二 Z0和W/d、r间的关系以汕头超声印制板厂提供的板厚1.68mm(顶层厚0.3mm)的FR4/S1139为例,给出50欧姆/75欧姆微带传输线线宽参数,见表一。

  同样在六层板和八层板微带传输线设计中如果已知微带线的介质厚度d,根据W/d 值可以计算出微带传输线)微带传输线损耗

  微带传输线损耗由三个因素决定:半开放性引起的辐射(这种损耗很小);介质热损耗d(板材原因);高频趋肤效应引起的导体损耗c。导体损耗是主要的,导体损耗c与W/h(h为基片厚度)成反比,也与光洁度有关。当W/h一定,介质损耗与损耗因子和频率成正比。

  当频率高到微带尺寸相对/4或/2足够大时,将出现严重色散特性还增加了辐射损耗。如果固定在某个频率,在此频率下色散效应可不考虑。阻抗越低、基片越厚、r越高,微带色散越严重,或板材确定后,频率愈高色散愈严重。

  c为实际在自由空间中传播波长。由此可见e越高波长减短,信号在传输线中的相速降低。由相速和传输线长可得传播时延t=Vp*L。

  微带传输线在介质基片和空气两种媒质中传输,带状线在同一媒质中传输,有边缘电容。其传输特性阻抗、损耗、传播波长与介质材料的关系同微带传输线相似,与W/b,t/b有关,与微带传输线不同的是t对传输特性阻抗的影响较大。图三为带状线mm厚、八层PCB板、FR4 板材的PCB单板,其50欧姆/75欧姆带状输线线宽参数见表二。

  PCB板多层层压板总厚度和层数等参数受到板材特性限制。特殊板材一般可提供的不同厚度的板材品种有限,因而设计者在PCB设计过程中必须靠虑板材特性参数、PCB加工工艺的限制。

  FR4板材有各种厚度,适用于多层层压的板材品种齐全,表四以FR4板材为例给出一种多层板层压结构和板材厚度分配参数,以供PCB设计工程师参考。

  由上所述,板材对PCB设计和加工影响最大的参数主要是介电常数和损耗因子。对于多层板设计,板材选取还需考虑加工冲孔、层压性能。下面是FR4/PTFE/F4/S1139/RO4350等几种板材的参数说明。

  由以上传输线特性阻抗、损耗、传播波长分析和板材比较,产品设计须考虑成本,市场因素。因此建议在PCB设计中,设计者选取板材考虑如下关键因素:

  (2)工作在1GHz以下的PCB可以选用FR4,成本低、多层压制板工艺成熟。如信号入出阻抗较低(50欧姆),在布线时需要严格考虑传输线特性阻抗和线间耦合,缺点是不同厂家以及不同批生产的FR4板材掺杂不同,介电常数不同(4.2-5.4)且不稳定。

  (3)工作在622Mb/s以上的光纤通信产品和1G以上3GHz以下的小信号微波收发信机,可以选用改性环氧树脂材料如S1139,由于其介电常数在10GHz时比较稳定、成本较低、多层压制板工艺与FR4相同。如622Mb/s数据复用分路、时钟提取、小信号放大、光收发信机等处建议采用此类板材,以便于制作多层板且板材成本略高于FR4(高4分/cm2左右),缺点是基材厚度没有FR4品种齐全。或者,采用RO4000系列如RO4350,但目前国内一般用的是RO4350双面板。缺点是:这两种板材不同板厚品种数量不齐全,由于板厚尺寸要求,不便于制作多层印制板。如RO4350,板材厂家生产的规格有10mil/20mil/30mil/60mil等四种板厚,而目前国内进口品种更少,因此限制了层压板设计。

  (4)3GHz以下的大信号微波电路如功率放大器和低噪声放大器建议选用类似RO4350的双面板材,RO4350介电常数相当稳定、损耗因子较低、耐热特性好、加工工艺与FR4相当。其板材成本略高于FR4(高6分/cm2左右)。

  (5)10GHz以上的微波电路如功率放大器、低噪声放大器、上下变频器等对板材要求更高,建议采用性能相当于F4的双面板材。

  (6)无线手机多层板PCB板材要求板材介电常数稳定度、损耗因子较低、成本较低、介质屏蔽要求高,建议选用性能类似PTFE(美国/欧洲等多用)的板材,或FR4和高频板组合粘接组成低成本、高性能层压板。

  典型射频/数字多层板结构,基于RO4350板材的层压板,其可能的带状线和微带传输线、高频板PCB工艺

  当入出阻抗以及传输线阻抗匹配时,系统输出功率最大(信号总功率最小),入出反射最小。对于微波电路,阻抗匹配设计还需要考虑器件的工作点。信号线过孔会引 起阻抗传输特性变化,TTL、CMOS逻辑信号线特性阻抗高,这种影响不计。但在50欧姆等低阻抗、高频电路这种影响需要考虑。一般要求信号线)传输线线间串扰

  当两根平行微带线间距很小时产生偶合,引起彼此线间串扰并且影响传输线欧姆高频电路尤其需要注意,并在电路设计上采取措施。实际电路设计中还用到这种偶合特性,如手机发射功率测量和功率控制就是一例。下面的分析对高频电路和ECL高速数据(时钟)线有效,对微小信号电路(如精密运算放大电路)有参考价值。

  设线间偶合度为C,C的大小与r、W/d、S、平行线长L有关。间距S愈小,偶合愈强;L愈长、偶合愈强。为了增加感性认识,举例:利用这种特性做成的50欧姆定向偶合器。如1.97GHz PCS频端基站功率放大器,其中d=30 mil、 r=3.48:

  由于接地线很短,接地传输线相当于一个感性阻抗(n-pH量级),同时接地过孔也近似相当于一个感性阻抗,这影响了对高频信号滤波功效。这是接地过孔尽可能地靠近管脚的原因。为了减小传输线感性负载,微波电路要求接地管脚的过孔多于一个,相当于在低频电路中增加接地面电流能力,保证各接地点均为等0电平。

  TTL、CMOS电路为了减少信号逻辑对电源的影响(过冲),在靠近电源管脚处加滤波电容。但在高频、微波电路中仅仅采取这种措施还不够。下面以制造工艺为例说明高频信号对电源的干扰。

  在微小信号和高频信号的PCB设计中需采取屏蔽措施以减少大信号(如逻辑电平)干扰或减少高频信号的电磁辐射。如:

  A、数字、模拟低频(小于30MHz)小信号PCB设计中,除了在数字地和模拟地分割外,还需对小信号布线区铺地,地与信号线间隔大于线宽。

  其结构包括2M数字接口、20M扩频解扩、70M中频调制解调板。我们采用FR4板材,四层PCB板,大面积铺地,高频模拟部分电源采用电感扼流圈与数字部分隔离。