PCB高頻布線工藝和選材

PCB高頻布線工藝和選材近年來在無線通信、光纖通信、高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品不斷推出，信息處理高速化、無線模擬前端模塊化，這些對數(shù)字信號處理技術(shù)、IC工藝、微波PCB設(shè)計(jì)提出新的要求，另外對PCB板材和PCB工藝提出了更高要求。如商用無線通信要求使用低成本的板材、穩(wěn)定的介電常數(shù)（εr變化誤差在±1-2％間）、低的介電損耗（0.005以下）。具體到手機(jī)的PCB板材，還需要有多層層壓、PCB加工工藝簡易、成品板可靠性高、體積小、集成度高、成本低等特點(diǎn)。為了挑戰(zhàn)日益激烈的市場競爭，電子工程師必須在材料性能、成本、加工工藝難易及成品板的可靠性間采取折衷。目前可供選用的板材很多，有代表性的常用板材有：環(huán)氧樹脂玻璃布層壓板FR4、多脂氟乙烯PTFE、聚四氟乙烯玻璃布F4、改性環(huán)氧樹脂F(xiàn)R4等。特殊板材如：衛(wèi)星微波收發(fā)電路用到藍(lán)寶石基材和陶瓷基材；微波電路基材GX系列、RO3000系列、RO4000系列、TL系列、TP-1/2系列、F4B-1/2系列。它們使用的場合不同，如FR4用于1GHz以下混合信號電路、多脂氟乙烯PTFE多用于多層高頻電路板、聚四氟乙烯玻璃布纖維F4用于微波電路雙面板、改性環(huán)氧樹脂F(xiàn)R4用于家用電器高頻頭（500MHz以下）。由于FR4板材易加工、成本低、便于層壓，所以得到廣泛應(yīng)用。下面我們從微帶傳輸線特性、多層板層壓工藝、板材參數(shù)性能比較等多個方面分析，給出了對于特殊應(yīng)用的PCB板材選取方案，總結(jié)了高頻信號PCB設(shè)計(jì)要點(diǎn)，供廣大電子工程師參考。1微帶傳輸線傳輸特性板材的性能指標(biāo)包括有介電常數(shù)εr、損耗因子（介質(zhì)損耗角正切）tgδ、表面光潔度、表面導(dǎo)體導(dǎo)電率、抗剝強(qiáng)度、熱漲系數(shù)、抗彎強(qiáng)度等。其中介電常數(shù)εr、損耗因子是主要參數(shù)。高速數(shù)據(jù)信號或高頻信號傳輸常用到微帶線（MicrostripLine），由附著在介質(zhì)基片兩邊的導(dǎo)帶和導(dǎo)體接地板構(gòu)成，且導(dǎo)帶一部分暴露在空氣中，信號在介質(zhì)基片和空氣這兩種介質(zhì)中傳播引起傳輸相速不等會產(chǎn)生輻射分量、如果合理選用微帶尺寸這種分量很小。圖一基片結(jié)構(gòu)示意如圖一基片結(jié)構(gòu)所示，銅皮厚t一般很小，在0.5OZ（17μm、0.7mil）到1OZ（35μm、1.35mil），導(dǎo)帶特性有基片介電常數(shù)εr、線寬W、板厚d決定。（1）微帶傳輸線特性阻抗微帶傳輸線的特性阻抗Z0計(jì)算如下：當(dāng)w/d≤1，微帶傳輸線的特性阻抗Z0表示為：當(dāng)w/d≥1，微帶傳輸線的特性阻抗Z0表示為：其中εe叫有效介電常數(shù)，是把兩種介質(zhì)對微帶特性阻抗的貢獻(xiàn)等效為一種假想的均勻介質(zhì)。圖二說明了Z0和W/d、εr間的關(guān)系，W/d愈大Z0愈低、εr愈大Z0愈低。圖二Z0和W/d、εr間的關(guān)系以板厚1.68mm(頂層厚0.3mm)的FR4/S1139為例，給出50歐姆/75歐姆微帶傳輸線線寬參數(shù)，見表一。表一50歐姆/75歐姆微帶傳輸線線寬參數(shù)同樣在六層板和八層板微帶傳輸線設(shè)計(jì)中如果已知微帶線的介質(zhì)厚度d，根據(jù)W/d值可以計(jì)算出微帶傳輸線線寬W。（2）微帶傳輸線損耗微帶傳輸線損耗由三個因素決定：半開放性引起的輻射（這種損耗很?。?；介質(zhì)熱損耗αd（板材原因）；高頻趨膚效應(yīng)引起的導(dǎo)體損耗αc。導(dǎo)體損耗是主要的，導(dǎo)體損耗αc與W/h（h為基片厚度）成反比，也與光潔度有關(guān)。當(dāng)W/h一定，介質(zhì)損耗與損耗因子和頻率成正比。（3）微帶色散特性當(dāng)頻率高到微帶尺寸相對λ/4或λ/2足夠大時，將出現(xiàn)嚴(yán)重色散特性還增加了輻射損耗。如果固定在某個頻率，在此頻率下色散效應(yīng)可不考慮。阻抗越低、基片越厚、εr越高，微帶色散越嚴(yán)重，或板材確定后，頻率愈高色散愈嚴(yán)重。（4）信號在介質(zhì)中的傳輸波長和相速λc為實(shí)際在自由空間中傳播波長。由此可見εe越高波長減短，信號在傳輸線中的相速降低。由相速和傳輸線長可得傳播時延t=Vp*L。2帶狀線傳輸特性微帶傳輸線在介質(zhì)基片和空氣兩種媒質(zhì)中傳輸，帶狀線在同一媒質(zhì)中傳輸，有邊緣電容。其傳輸特性阻抗、損耗、傳播波長與介質(zhì)材料的關(guān)系同微帶傳輸線相似，與W/b,t/b有關(guān)，與微帶傳輸線不同的是t對傳輸特性阻抗的影響較大。圖三為帶狀線傳輸示意。1.6mm厚、八層PCB板、FR4板材的PCB單板，其50歐姆/75歐姆帶狀輸線線寬參數(shù)見表二。圖三帶狀線傳輸特性示意

表二50歐姆/75歐姆帶狀線傳輸線線寬參數(shù)3PCB板層壓工藝及分層要求PCB板多層層壓板總厚度和層數(shù)等參數(shù)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種有限，因而設(shè)計(jì)者在PCB設(shè)計(jì)過程中必須靠慮板材特性參數(shù)、PCB加工工藝的限制。FR4板材有各種厚度，適用于多層層壓的板材品種齊全，表四以FR4板材為例給出一種多層板層壓結(jié)構(gòu)和板材厚度分配參數(shù)，以供PCB設(shè)計(jì)工程師參考。表三FR4層壓板結(jié)構(gòu)參數(shù)六層板、完成板厚度為1.6mm，其層壓結(jié)構(gòu)如圖四所示。圖四六層板層壓結(jié)構(gòu)4常用板材性能參數(shù)比較由上所述，板材對PCB設(shè)計(jì)和加工影響最大的參數(shù)主要是介電常數(shù)和損耗因子。對于多層板設(shè)計(jì)，板材選取還需考慮加工沖孔、層壓性能。下面是FR4/PTFE/F4/S1139/RO4350等幾種板材的參數(shù)說明。表三板材主要參數(shù)性能比較由以上傳輸線特性阻抗、損耗、傳播波長分析和板材比較，產(chǎn)品設(shè)計(jì)須考慮成本，市場因素。因此建議在PCB設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者選取板材考慮如下關(guān)鍵因素：

（1）信號工作頻率不同對板材要求不同。

（2）工作在1GHz以下的PCB可以選用FR4，成本低、多層壓制板工藝成熟。如信號入出阻抗較低（50歐姆），在布線時需要嚴(yán)格考慮傳輸線特性阻抗和線間耦合，缺點(diǎn)是不同廠家以及不同批生產(chǎn)的FR4板材摻雜不同,介電常數(shù)不同（4.2-5.4）且不穩(wěn)定。（3）工作在622Mb/s以上的光纖通信產(chǎn)品和1G以上3GHz以下的小信號微波收發(fā)信機(jī)，可以選用改性環(huán)氧樹脂材料如S1139，由于其介電常數(shù)在10GHz時比較穩(wěn)定、成本較低、多層壓制板工藝與FR4相同。如622Mb/s數(shù)據(jù)復(fù)用分路、時鐘提取、小信號放大、光收發(fā)信機(jī)等處建議采用此類板材，以便于制作多層板且板材成本略高于FR4（高4分/cm2左右），缺點(diǎn)是基材厚度沒有FR4品種齊全?；蛘撸捎肦O4000系列如RO4350，但目前國內(nèi)一般用的是RO4350雙面板。缺點(diǎn)是：這兩種板材不同板厚品種數(shù)量不齊全，由于板厚尺寸要求，不便于制作多層印制板。如RO4350，板材廠家生產(chǎn)的規(guī)格有10mil/20mil/30mil/60mil等四種板厚，而目前國內(nèi)進(jìn)口品種更少，因此限制了層壓板設(shè)計(jì)。（4）3GHz以下的大信號微波電路如功率放大器和低噪聲放大器建議選用類似RO4350的雙面板材，RO4350介電常數(shù)相當(dāng)穩(wěn)定、損耗因子較低、耐熱特性好、加工工藝與FR4相當(dāng)。其板材成本略高于FR4（高6分/cm2左右）。（5）10GHz以上的微波電路如功率放大器、低噪聲放大器、上下變頻器等對板材要求更高，建議采用性能相當(dāng)于F4的雙面板材。（6）無線手機(jī)多層板PCB板材要求板材介電常數(shù)穩(wěn)定度、損耗因子較低、成本較低、介質(zhì)屏蔽要求高，建議選用性能類似PTFE（美國/歐洲等多用）的板材，或FR4和高頻板組合粘接組成低成本、高性能層壓板。圖五典型射頻/數(shù)字多層板結(jié)構(gòu)典型射頻/數(shù)字多層板結(jié)構(gòu)，基于RO4350板材的層壓板，其可能的帶狀線和微帶傳輸線結(jié)構(gòu)見圖五。5高頻板PCB工藝根據(jù)以上對傳輸線特性介紹，進(jìn)一步可以從線寬、過孔、線間串?dāng)_、屏蔽等四個方面說明高頻PCB設(shè)計(jì)需要注意的細(xì)節(jié)地方。（1）傳輸線線寬傳輸線線寬設(shè)計(jì)基于阻抗匹配理論。圖六阻抗匹配當(dāng)入出阻抗以及傳輸線阻抗匹配時，系統(tǒng)輸出功率最大（信號總功率最小），入出反射最小。對于微波電路，阻抗匹配設(shè)計(jì)還需要考慮器件的工作點(diǎn)。信號線過孔會引起阻抗傳輸特性變化，TTL、CMOS邏輯信號線特性阻抗高，這種影響不計(jì)。但在50歐姆等低阻抗、高頻電路這種影響需要考慮。一般要求信號線沒有過孔。（2）傳輸線線間串?dāng)_當(dāng)兩根平行微帶線間距很小時產(chǎn)生偶合，引起彼此線間串?dāng)_并且影響傳輸線特性阻抗。對于50歐姆和75歐姆高頻電路尤其需要注意，并在電路設(shè)計(jì)上采取措施。實(shí)際電路設(shè)計(jì)中還用到這種偶合特性，如手機(jī)發(fā)射功率測量和功率控制就是一例。下面的分析對高頻電路和ECL高速數(shù)據(jù)（時鐘）線有效，對微小信號電路（如精密運(yùn)算放大電路）有參考價值。圖七傳輸線線間串?dāng)_設(shè)線間偶合度為C，C的大小與εr、W/d、S、平行線長L有關(guān)。間距S愈小，偶合愈強(qiáng)；L愈長、偶合愈強(qiáng)。為了增加感性認(rèn)識，舉例：利用這種特性做成的50歐姆定向偶合器。如1.97GHzPCS頻端基站功率放大器,其中d=30mil、εr=3.48：10dB定向偶合器PCB尺寸：S=5mil,l=920mil,W=53mil

20dB定向偶合器PCB尺寸：S=35mil,l=920mil,W=62mil為了減小信號線間串?dāng)_，建議

A、高頻或高速數(shù)據(jù)平行信號線間距離S是線寬的一倍以上。

B、盡量減少信號線間平行的長度。

C、高頻小信號、微弱信號避開電源和邏輯信號線等強(qiáng)干擾源。（3）接地過孔電磁分析。無論IC器件管腳接地還是其它阻容器件接地，在高頻電路中都要求接地過孔盡可能地靠近管腳，其理論依據(jù)是：高頻信號接地線通路以理想傳輸線終端接地等效，其駐波狀態(tài)如圖八所示。圖八駐波狀態(tài)圖由于接地線很短，接地傳輸線相當(dāng)于一個感性阻抗（n-pH量級），同時接地過孔也近似相當(dāng)于一個感性阻抗，這影響了對高頻信號濾波功效。這是接地過孔盡可能地靠近管腳的原因。為了減小傳輸線感性負(fù)載，微波電路要求接地管腳的過孔多于一個，相當(dāng)于在低頻電路中增加接地面電流能力，保證各接地點(diǎn)均為等0電平。（4）電源濾波。TTL、CMOS電路為了減少信號邏輯對電源的影響（過沖），在靠近電源管腳處加濾波電容。但在高頻、微波電路中僅僅采取這種措施還不夠。下面以制造工藝為例說明高頻信號對電源的干擾。圖九高頻信號對電源產(chǎn)生高頻干擾的方式這兩種方式的高頻信號均對電源產(chǎn)生高頻干擾，并影響其它功能電路。除了電源管腳加濾波電容外，還需要串聯(lián)電感的抑制高頻干擾。串聯(lián)電感的選取與工作頻率有關(guān)。依據(jù)是如果電源腳過濾1M以上的高頻干擾，其中C=0.1uF，則選取L=1uH電感。在外加電源的集電極開路信號管腳加電感時請慎重，因?yàn)榇藭r的電感相當(dāng)于一個匹配用的電感。（5）屏蔽在微小信號和高頻信號的PCB設(shè)計(jì)中需采取屏蔽措施以減少大信號（如邏輯電平）干擾或減少高頻信號的電磁輻射。如：A、數(shù)字、模擬低頻（小于30MHz）小信號PCB設(shè)計(jì)中，除了在數(shù)字地和模擬地分割外，還需對小信號布線區(qū)鋪地，地與信號線間隔大于線寬。

B、數(shù)字、模擬高頻小信號PCB設(shè)計(jì)中，還需在高頻部分加屏蔽罩或鋪地過孔隔離措施。

C、高頻大信號PCB設(shè)計(jì)中，高頻部分需以獨(dú)立的功能模塊設(shè)計(jì)并加屏蔽盒以減少高頻信號對外的輻射。如光纖155M、622M、2Gb/s的收發(fā)模塊。多層PCB布板（諾基亞6110），雙面放器件，手機(jī)PCB設(shè)計(jì)如圖十所示。圖十手機(jī)PCB設(shè)計(jì)示例6板材選取舉例以我們設(shè)計(jì)調(diào)試的高頻（微波）PCB為例說明板材選取。（1）2.4GHz擴(kuò)頻數(shù)字微波中繼板材選取

其結(jié)構(gòu)包括2M數(shù)字接口、20M擴(kuò)頻解擴(kuò)、70M中頻調(diào)制解調(diào)板。我們采用FR4板材，四層PCB板，大面積鋪地，高頻模擬部分電源采用電感扼流圈與數(shù)字部分隔離。2.4GHz射頻收發(fā)信機(jī)采用F4雙面板，收發(fā)分別用金屬盒屏蔽，電源入端濾波。（2）1.9GHz射頻收發(fā)信機(jī)

其中，功率放大器采用PTFE板材，雙面PCB板；射頻收發(fā)信機(jī)采用PTFE板材，四層PCB板。都是采用大面積鋪地，功能模塊屏蔽罩隔離措施。（3）140MHz中頻收發(fā)信機(jī)

頂層用0.3mm的S1139板材，大面積鋪地，過孔隔離。（4）70MHz中頻收發(fā)信機(jī)

采用FR4板材，四層PCB板。