控制特性阻抗性PCB設(shè)計(jì)技術(shù)

1、控制特性阻抗性 PCB 設(shè)計(jì)技術(shù) 控制特性阻抗性 PCB 設(shè)計(jì)技術(shù)過去, 印制電路板 只起到了安裝在它上面的電子部品之間的電氣互連的功能。而現(xiàn)在,又提出了許多 的新功能的要求, 例如:整機(jī)產(chǎn)品的高速、 大容量化要求 PCB 的信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定化; 要求 PCB 有防止 EMI/EMC的相應(yīng)對(duì)策;由于組件的 MCM(Multi Chip Module化、 SiP(System in a Package化的高密度安裝以及電 子部品的發(fā)熱源的高度集中的問題等,都要求 PCB 具有更商的耐熱性、散熱性;基板的元器件內(nèi)藏等產(chǎn)品 形式的出現(xiàn),出賦予 PCB 新的功能。從提高操作性、加工性及降低制造成本的觀點(diǎn)

2、上出發(fā), IC 封裝 所使用 的基板, 由陶瓷等無機(jī)類 PCB 材料, 向著使用環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺樹脂等有機(jī)類 PCB 基板材料方向的轉(zhuǎn)化。1. 高頻電子產(chǎn)品中具有控制特性阻抗性的 PCB 設(shè)計(jì)技術(shù)所涉及的方面。具有高精度控制特性阻抗性的 PCB 制造 ,是整體把握的設(shè)計(jì)技術(shù)所保證。而這一系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)技術(shù),主 要包括了基板材料的介電特性、部品特性、設(shè)計(jì)方法、 PCB 制造特性、組裝方法等的技術(shù)。高精度控制特 性阻性的 PCB 有著三大方面(高精度層壓技術(shù)、高精度電鍍技術(shù)、高精度圖形形成技術(shù)的要素技術(shù)。一般的高頻性印制電路板基板材料的特性,包括著它的信號(hào)傳播損失小(具有低介電常數(shù)性、低介質(zhì)損耗

3、 因數(shù)性、信號(hào)傳輸速度高、在介電特性方面受到頻率、溫度、濕度變化下而表現(xiàn)出的高穩(wěn)定性等內(nèi)容。選擇高頻性印制電路板基板材料,首先必須要考慮到它在 高頻電路 PCB 上的信號(hào)傳播損失的特性。 1GHZ 以 上領(lǐng)域內(nèi)還會(huì)存在著由于“表皮效果”(又稱為“肌膚效應(yīng)”問題,它造成的導(dǎo)體損失。還應(yīng)該認(rèn)識(shí)到,在基板材料上、在 PCB 制造上、在組裝上由于存在著微小偏差(特別是在層間厚度、介電 常數(shù)、導(dǎo)體厚度、導(dǎo)體寬度四個(gè)方面的偏差,就會(huì)造成基板材料的特性阻抗的不整合,出現(xiàn)反射、衰減 量的增大。2. 有關(guān)基板材料的選擇制造 高頻性印制電路板 , 對(duì)基板材料的選擇是十分重要的。 在選擇基板材料時(shí), 應(yīng)該注意以下的

4、四點(diǎn)原則。 (1 對(duì)影響介電特性關(guān)鍵項(xiàng)目的考慮對(duì)絕緣基板材料介電體特性的考慮,首要的是要選擇介質(zhì)損失因數(shù)值小的基板材料?；宀牧系臉渲肿?構(gòu)造中具有極性結(jié)構(gòu)部分,由于在高頻條件下對(duì)頻率條件下對(duì)頻率信號(hào)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)、熱、雜波的變化,至 使信號(hào)電壓出現(xiàn)衰減。另外,要選擇介民常數(shù)小的基板材料。介電常數(shù)與介電體損失、信號(hào)的傳輸速度、信號(hào)的波長(zhǎng)的縮短率相 關(guān)?；宀牧系慕殡姵?shù)值高,波長(zhǎng)的縮短率則大。例如,一般的環(huán)氧樹脂 -玻璃纖維布基覆銅板(通稱FR-4的介電常數(shù)(公稱值為“4.7”,為了簡(jiǎn)便計(jì)算讓為“4.0”。 1GHZ的模擬信號(hào)的波長(zhǎng)在空氣中 (空氣的介電常數(shù)為 1為 30mm ,當(dāng)傳輸路線為 3

5、00mm 長(zhǎng)時(shí),振幅次數(shù)為 10個(gè)。采用 FR-4基板材料的配 線圖形,由于它介電常數(shù)比空氣的介電常大 4倍,在同樣長(zhǎng)度(30mm 的傳輸路線情況下,振幅次數(shù)增加 到 20個(gè)。而在信號(hào)的振幅方面,由于反射、吸收的關(guān)系其信號(hào)衰減量要大于在空氣中傳輸?shù)乃p量。RF 電路、天線電路多采用波長(zhǎng)(為 /4的設(shè)計(jì)。由于存在著介電常數(shù)與波長(zhǎng)的縮短率成正比的關(guān)系, 使用這兩種電路設(shè)計(jì),對(duì)基板材料要求低的介電常數(shù)的設(shè)計(jì)。在過去用 KHZ 、 MHZ 頻率電路設(shè)計(jì)的時(shí)代,曾 經(jīng)使用過高介電常數(shù)、低介質(zhì)損失因數(shù)的陶瓷基板材料(它的介電常為 10,介質(zhì)損失因?yàn)?0.0002。在 1GHZ 傳輸頻率下, 信號(hào)波長(zhǎng)在空氣

6、中為 30mm , 而采用 FR-4基板材料的配線圖形上的信號(hào)波長(zhǎng)為 15mm 。 /4的設(shè)計(jì)方式下,配線長(zhǎng)度縮短為 3.75mm 。從印制電路板制造質(zhì)量的精度上考慮,使用高介電常數(shù)的基板材 料,若想得到所要求的高頻性能是很困難的。因此,在 1GHZ 以上的電路要求的情況下,采用低介電常數(shù)的 基板材料 制造 PCB 是十分必要的。 而使用有機(jī)樹脂系基材, 要比陶瓷基材更易實(shí)現(xiàn)基板材料的低介電常數(shù)、 低介質(zhì)損失因數(shù)化的要求。(2 在頻率變化下的對(duì)介電體特性的考慮目前一般所用的典型基板材料 FR-4覆銅板及具體代表性的低介電常數(shù)的基材料,在不同的頻率條件下 的介電常數(shù)和介質(zhì)損失因數(shù)的變化情況。低介

7、電常的基板材料,在 1GHZ 以上在介電特性上是基本變化不大的。而在 1MHZ 1MHZ 頻率范圍內(nèi),它的 介電特性測(cè)定值“混亂”變化跳動(dòng)較大。FR-4基板材料的介電常數(shù)在 1MHZ 時(shí)是 4.7,在 1GHZ 時(shí)是 4.3。隨著頻率條件的不同而略微有變化。并且 從 1MHZ 到 1GHZ 的頻率增高,它表現(xiàn)出略微下降的趨勢(shì)。(3 在環(huán)境變化下的對(duì)介質(zhì)體特性的考慮選擇高頻電路用的基板材料,還應(yīng)該注意考察在高頻元器件發(fā)熱量大的情況下,以及在高溫、高濕環(huán)境情 況下, 基板材料的介電特性的變化大小。 一般要選擇在上述環(huán)境變化下介電特性變化小的基板料。 在高溫、 高濕環(huán)境情況下,一般的基板材料的 和

8、tan 值是上升的。因此,根據(jù)所使用的環(huán)境中的溫度、濕度的 變化情況,去掌握基材料的介電特性能變化量,是十分重要的。(4 在頻率、溫濕度變化下的對(duì)介電特性穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)對(duì)基板材料介電特性在頻率、溫濕度變化下的穩(wěn)定性的評(píng)價(jià),首先要用這種基板材料制作出測(cè)試專用印制 電路板。然后采用電路分析的手段,對(duì) S 參數(shù)的進(jìn)行測(cè)定(S21:減衰量、 S11:反射量。并檢測(cè)其位相 特性、 VSWR 、特性阻抗等。在檢測(cè)中必須要注意考慮在檢測(cè)中的影響度。這種檢測(cè)中止差,對(duì)檢測(cè)結(jié)果的 準(zhǔn)確性影響是至關(guān)重要的。3. 有關(guān)板材料組成結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)高頻電路下波長(zhǎng)的縮短,要求基板材料具有穩(wěn)定的介常數(shù)值。即從微觀角度上講,

9、介電常數(shù)值達(dá) 到均勻一致。對(duì)于有玻纖布增強(qiáng)的基板材料來講,實(shí)現(xiàn)這一特性的重要途徑,是基板材料的構(gòu)成要 100%的采用經(jīng)開纖處理過的玻璃纖維布。從而達(dá)到基板材料組成中的玻璃纖維布與樹脂分布的均一化。玻璃纖維布的開纖處理,是采用高壓射水的方法對(duì)玻璃纖維布進(jìn)行再加工的一種處理。末經(jīng)開纖處理的玻 纖經(jīng)緯紗交織點(diǎn)凸起, 四周孔隙明顯。 而利用高壓水對(duì)玻纖布的經(jīng)緯紗露在布面的部分進(jìn)行“噴水針刺法” 開纖處理的玻纖布,其經(jīng)緯紗中的纖維開松,均勻散開而呈為扁平狀。它的經(jīng)緯紗交織點(diǎn)的凸起得減緩。 它的纖維分散開來,填充了交織點(diǎn)周圍的孔隙,這樣起到了有利于在基板材料各個(gè)部位的樹脂均勻一致分 布的效果?；宀牧系臉?/p>

10、脂量不但對(duì)介電特性有很大的影響,而且對(duì)基板材料的玻璃化溫度(Tg 、板的厚度方向(Z 方向和面方向(X 、 Y 方向的熱膨脹系數(shù)(即尺寸穩(wěn)定生也有著重要影響。當(dāng)樹脂量小時(shí),板的 Tg 高,熱膨脹系數(shù)小。在高溫條件下,所使用的樹脂由于一般會(huì)產(chǎn)生水分解反應(yīng),使得它的絕緣電阻下降, 造成基板材料的絕緣性惡化。當(dāng)樹脂量越大,這種變化特性就越明顯。而板的熱膨脹系數(shù)大小,直接關(guān)朕 到印制電路板的通孔可靠性、焊接可靠性的好壞。3.3基板材料熱膨脹系數(shù)與玻璃纖維布、樹脂的關(guān)系使用玻璃纖維布作為增強(qiáng)的基板材料,它的 X 、 Y 方向的熱膨脹系數(shù),主要與玻璃纖維布制造方法(單絲直 徑、玻璃紗的線密度、織物密度等有

11、很大的依存關(guān)系。而基板材料的厚度方向的熱膨系數(shù)的大小,主要 與樹膨脹系數(shù)有著依存的關(guān)系。在這一類基板材料的構(gòu)成中添加了填充材料,會(huì)由于降低樹脂量而在基板 材料的熱膨脹量方面得到了抑制。一些無鹵化基板材料、適于激光鉆孔的基板材料,一般要在基板材料樹脂中混入無機(jī)填充材料。在達(dá)到板 的規(guī)定厚度情況下,由于填充材料的入,使用樹脂量比例有所減少。這樣在板 Tg 上會(huì)得到提高。在 X 、 Y 、 Z 方向上熱膨脹量方面會(huì)有所減低。由于所加入的填充材料都具有高介電常數(shù)、低介質(zhì)損失因數(shù)特性,這 樣造成在樹脂中加入填充材料板的電常數(shù)升高。而在介質(zhì)損失因數(shù)方面有所降低。4. 關(guān)于 PCB 制造中圖形尺寸精度的控制

12、印制電路板制造 中對(duì)特性阻抗精度的控制,存在著六個(gè)方面(包括十個(gè)參數(shù)的構(gòu)成要素。它們包括: 絕緣層厚度(即 PCB 層間厚度(h 及其厚度精度(h;導(dǎo)體寬度(w 及其寬度精度(w; 蝕刻因子(ef ;導(dǎo)體厚度(t 及其厚度精度(t;介電常數(shù)值(及其精度( ;阻焊劑膜厚度(mh 。這些要素,對(duì)于控制 PCB 的特性阻抗大小及其精度有著直接的影響,并左右著印制電 路板的高頻特性的實(shí)現(xiàn)情況。在上述的特性阻抗的構(gòu)成要素中,介電常數(shù)值的精度與基板材料(半固化片的樹脂含量的均勻程度密切 相關(guān)。而導(dǎo)線的蝕刻因子、導(dǎo)體寬度精度要素都與銅箔的處理面輪廓度大小直接相關(guān)聯(lián)。半固化片樹脂含量的技術(shù)指標(biāo),是各個(gè)基板材料

13、生產(chǎn)廠根據(jù)用戶廠(印制電路板生產(chǎn)廠實(shí)際成型加工工 藝的不同及生產(chǎn)水平的能力而制定的。由于樹脂量的不同,使得在半固化片的熔融粘度上有所差導(dǎo)及在層 壓工藝上也就存在著不同。這些會(huì)帶來 PCB 在 絕緣層厚度及其精度上有所差別。因此,采用不同廠家、不 同樹脂量指標(biāo)的半固化片材料所生產(chǎn)的多層板,在它的介電特性,特別是介電常數(shù)值上,表現(xiàn)出其高低及 精度的不同?？梢钥闯?若想要提高 PCB 的特性高精度控制,基板材料生產(chǎn)廠在生產(chǎn)半固化片的樹脂量的 指標(biāo)控制方面,必須要與 印制電路板 生產(chǎn)廠家達(dá)到很好的配合。5. 有關(guān)銅箔在 剛性印制電路板 制造中多使用電解銅箔。基板材料中的樹脂與銅箔間的剝離強(qiáng)度,與銅箔的粗化面的表 面處理輪廓度大小相關(guān)。一般講,處理面的處理層輪廓大的銅箔,它的剝離強(qiáng)度就高。在存在高頻信號(hào)的 印制電路板場(chǎng)合,由于有“表皮效果”的影響,只有導(dǎo)電線路的表面才有信號(hào)的流通,這樣,當(dāng)銅箔處理 面處理層的輪廓大,就在反射、衰減量在的表現(xiàn)。這會(huì)引起信號(hào)傳問輸損失加大。因此,在減低粗化面處 理層的輪廓度,是高頻電路用基板所期望的。目前對(duì)輪廓為 4m 以下的銅箔,稱之為低輪廓銅箔(簡(jiǎn)稱為 VLP 銅箔。在高頻電路中,使用具有低輪廓 并且是極薄箔,已經(jīng)