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、IC工藝、微波PCB設計提出新的要求，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。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，給出了對于特殊應用的PCB板材選取方案，總結了高頻信號PCB設計要點，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包括有介電常數(shù)εr、損耗因子（介質損耗角正切）tgδ、表面光潔度、表面導體導電率、抗剝強度、熱漲系數(shù)、抗彎強度等。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），由附著在介質基片兩邊的導帶和導體接地板構成，且導帶一部分暴露在空氣中，信號在介質基片和空氣這兩種介質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。圖一基片結構示意如圖一基片結構所示，銅皮厚t一般很小，在0.5OZ（17μm、0.7mil）到1OZ（35μm、1.35mil），導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計算如下：當w/d≤1，微帶傳輸線的特性阻抗Z0表示為：當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)，是把兩種介質對微帶特性阻抗的貢獻等效為一種假想的均勻介質。圖二說明了Z0和W/d、εr間的關系，W/d愈大Z0愈低、εr愈大Z0愈低。圖二Z0和W/d、εr間的關系以板厚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計中如果已知微帶線的介質厚度d，根據(jù)W/d值可以計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（這種損耗很小）；介質熱損耗αd（板材原因）；高頻趨膚效應引起的導體損耗αc。導體損耗是主要的，導體損耗αc與W/h（h為基片厚度）成反比，也與光潔度有關。當W/h一定，介質損耗與損耗因子和頻率成正比。（3）微帶色散特性當頻率高到微帶尺寸相對λ/4或λ/2足夠大時，將出現(xiàn)嚴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可不考慮。阻抗越低、基片越厚、εr越高，微帶色散越嚴重，或板材確定后，頻率愈高色散愈嚴重。（4）信號在介質中的傳輸波長和相速λc為實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基片和空氣兩種媒質中傳輸，帶狀線在同一媒質中傳輸，有邊緣電容。其傳輸特性阻抗、損耗、傳播波長與介質材料的關系同微帶傳輸線相似，與W/b,t/b有關，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，因而設計者在PCB設計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構和板材厚度分配參數(shù)，以供PCB設計工程師參考。表三FR4層壓板結構參數(shù)六層板、完成板厚度為1.6mm，其層壓結構如圖四所示。圖四六層板層壓結構4常用板材性能參數(shù)比較由上所述，板材對PCB設計和加工影響最大的參數(shù)主要是介電常數(shù)和損耗因子。對于多層板設計，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)品設計須考慮成本，市場因素。因此建議在PCB設計中，設計者選取板材考慮如下關鍵因素：

（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），在布線時需要嚴格考慮傳輸線特性阻抗和線間耦合，缺點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，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)復用分路、時鐘提取、小信號放大、光收發(fā)信機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），缺點是基材厚度沒有FR4品種齊全。或者，采用RO4000系列如RO4350，但目前國內一般用的是RO4350雙面板。缺點是：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，而目前國內進口品種更少，因此限制了層壓板設計。（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)相當穩(wěn)定、損耗因子較低、耐熱特性好、加工工藝與FR4相當。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，建議采用性能相當于F4的雙面板材。（6）無線手機多層板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)字多層板結構典型射頻/數(shù)字多層板結構，基于RO4350板材的層壓板，其可能的帶狀線和微帶傳輸線結構見圖五。5高頻板PCB工藝根據(jù)以上對傳輸線特性介紹，進一步可以從線寬、過孔、線間串擾、屏蔽等四個方面說明高頻PCB設計需要注意的細節(jié)地方。（1）傳輸線線寬傳輸線線寬設計基于阻抗匹配理論。圖六阻抗匹配當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，阻抗匹配設計還需要考慮器件的工作點。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。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）傳輸線線間串擾當兩根平行微帶線間距很小時產(chǎn)生偶合，引起彼此線間串擾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，并在電路設計上采取措施。實際電路設計中還用到這種偶合特性，如手機發(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（如精密運算放大電路）有參考價值。圖七傳輸線線間串擾設線間偶合度為C，C的大小與εr、W/d、S、平行線長L有關。間距S愈小，偶合愈強；L愈長、偶合愈強。為了增加感性認識，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擾，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，接地傳輸線相當于一個感性阻抗（n-pH量級），同時接地過孔也近似相當于一個感性阻抗，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載，微波電路要求接地管腳的過孔多于一個，相當于在低頻電路中增加接地面電流能力，保證各接地點均為等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。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，因為此時的電感相當于一個匹配用的電感。（5）屏蔽在微小信號和高頻信號的PCB設計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設計中，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設計中，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設計中，高頻部分需以獨立的功能模塊設計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PCB設計如圖十所示。圖十手機PCB設計示例6板材選取舉例以我們設計調試的高頻（微波）PCB為例說明板材選取。（1）2.4GHz擴頻數(shù)字微波中繼板材選取

其結構包括2M數(shù)字接口、20M擴頻解擴、70M中頻調制解調板。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

其中，功率放大器采用PTFE板材，雙面PCB板；射頻收發(fā)信機采用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

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

采用FR4板材，四層PCB板。