高頻布線工藝和PCB板選材[谷風(fēng)軟件]

1、高頻佈線工藝和PCB板選材國(guó)家數(shù)位交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心張建慧 饒龍記 鄭州1001信箱787號(hào)摘要：本文通過對(duì)微帶傳輸特性、常用板材性能參數(shù)進(jìn)行比較分析，給出用於無(wú)線通信類比前端、高速數(shù)位信號(hào)等應(yīng)用中PCB板材選取方案，進(jìn)一步從線寬、過孔、線間串?dāng)_、遮罩等方面總結(jié)高頻板PCB設(shè)計(jì)要點(diǎn)。關(guān)鍵字：PCB板材、PCB設(shè)計(jì)、無(wú)線通信、高頻信號(hào) 近年來(lái)在無(wú)線通信、光纖通信、高速資料網(wǎng)路產(chǎn)品不斷推出，資訊處理高速化、無(wú)線模擬前端模組化，這些對(duì)數(shù)位信號(hào)處理技術(shù)、IC工藝、微波PCB設(shè)計(jì)提出新的要求，另外對(duì)PCB板材和PCB工藝提出了更高要求。 如商用無(wú)線通信要求使用低成本的板材、穩(wěn)定的介電常數(shù)（r變化誤

2、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(jiǎn)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，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採(cǎi)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(chǎng)合不同，如FR4用於1GHz以下

3、混合信號(hào)電路、多脂氟乙烯PTFE多用於多層高頻電路板、聚四氟乙烯玻璃布纖維F4用於微波電路雙面板、改性環(huán)氧樹脂F(xiàn)R4用於家用電器高頻頭（500MHz以下）。由於FR4板材易加工、成本低、便於層壓，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(gè)方面分析，給出了對(duì)於特殊應(yīng)用的PCB板材選取方案，總結(jié)了高頻信號(hào)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rdtw板材的性能指標(biāo)包括有介電常數(shù)r、損耗因數(shù)（介質(zhì)損耗角正切）tg、表面光潔度、表面導(dǎo)體導(dǎo)電率、抗剝強(qiáng)度、熱漲係數(shù)、抗彎強(qiáng)度等。其中介電常數(shù)r、損耗因數(shù)是主要參數(shù)。高速資料信號(hào)或高頻信號(hào)傳輸常用到

4、微帶線（Microstrip Line），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(hào)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(huì)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（17m、0.7mil）到1 OZ（35m、1.35mil），導(dǎo)帶特性有基片介電常數(shù)r、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： Z0當(dāng) w/d 1，微帶傳輸線的特性阻抗Z0表示為：Z0其中e叫有效介電常數(shù)，是把兩種介質(zhì)對(duì)微帶特

5、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、r間的關(guān)係，W/d愈大Z0愈低、r愈大Z0愈低。圖 二 Z0和W/d、r間的關(guān)係以汕頭超聲印製板廠提供的板厚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。介電常數(shù)rW/d有效介電常數(shù)特性阻抗四層板d=0.3mm八層板d=10mil線寬W傳播損耗（dB/m）線寬W傳播損耗（dB/m）FR44.25.4以4.8為準(zhǔn)0.2783.041003mil0.1251不準(zhǔn)確0.7033.24758mil0.12377mil0.12671.693.445020mil0.125717mi

6、l0.1284S11393.80.392.561004mil0.1090.8892.737510mil0.1102.02.9295024mil0.118注t厚度為1OZ/35um/1.37mil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(gè)因素決定：半開放性引起的輻射（這種損耗很小）；介質(zhì)熱損耗d（板材原因）；高頻趨膚效應(yīng)引起的導(dǎo)體損耗c。導(dǎo)體損耗是主要的，導(dǎo)體損耗c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)損耗與損耗因數(shù)和頻

7、率成正比。（3）微帶色散特性 當(dāng)頻率高到微帶尺寸相對(duì)/4或/2足夠大時(shí)，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(gè)頻率，在此頻率下色散效應(yīng)可不考慮。阻抗越低、基片越厚、r越高，微帶色散越嚴(yán)重，或板材確定後，頻率愈高色散愈嚴(yán)重。（4）信號(hào)在介質(zhì)中的傳輸波長(zhǎng)和相速c為實(shí)際在自由空間中傳播波長(zhǎng)。由此可見e越高波長(zhǎng)減短，信號(hào)在傳輸線中的相速降低。由相速和傳輸線長(zhǎng)可得傳播時(shí)延t=Vp*L。2 帶狀線傳輸特性rbtw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(zhǎng)與介質(zhì)材料的關(guān)係同微帶傳輸線相似，與W/b,t/b有關(guān)，與微帶傳輸線不同的是

8、t對(duì)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介電常數(shù)特性阻抗八層板b=16mil線寬W傳播損耗（dB/m）FR44.25.4以4.8為參考505mil0.155注t厚度為1OZ/35um/1.37mil表二 50歐姆/75歐姆帶狀線傳輸線線寬參數(shù)3 PCB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

9、用於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。層數(shù)完成板厚度疊層組成四層1.5mm2116X2+7628X2+0.8mm1.57mm7628X4+0.8mm1.60mm7628X4+0.8mm1080X2+7628X2+1mm1.68mm2116X2+7628X2+1mm六層1.5mm1080X4+7628X2+0.43mmX21.6mm1080X4+7628X2+0.43mmX2八層1.5mm1080X6+2116X2+0.27mmX31.57mm1080X6+7628X2+0.27mmX31.60mm1080X6+762

10、8X2+0.27mmX3十層1.6mm1080X8+2116X2+0.2mmX3注1080板厚2.5mil /2116板厚4.3mil/7628板厚7mil。毫米板為雙面敷銅板，其他為介質(zhì)基片，銅皮厚度均為1OZ（35um/1.37mil）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。基材雙面板1OZ /35um/1.38mil7mil2.5mil0.43mm2.5mil7mil1OZ /35um/1.38mil基材基材基材頂層底層第二層地層銅箔銅箔雙面板0.43mm基材基材2.5mil2.5mil第三層電源第四層信號(hào)層第五層地層圖四 六層板層壓結(jié)構(gòu)4 常用板

11、材性能參數(shù)比較性能參數(shù)單位板材FR4S1139RO4350F4(SGP-500)PTFE介電常數(shù)4.25.43.83.482.62.5損耗角正切0.0350.0080.0040.00220.0019r溫度係數(shù)ppm/0cN/A50熱脹係數(shù)ppm/0c21141621銅箔抗剝強(qiáng)度pli102.90.92.9尺寸穩(wěn)定度mm/m0.5加工工藝難易(孔化、表面處理)與FR4相當(dāng)與FR4相當(dāng)加工通孔時(shí)表面需特殊處理注，測(cè)試方法未列出由上所述，板材對(duì)PCB設(shè)計(jì)和加工影響最大的參數(shù)主要是介電常數(shù)和損耗因數(shù)。對(duì)於多層板設(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/RO43

12、50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(zhǎng)分析和板材比較，產(chǎn)品設(shè)計(jì)須考慮成本，市場(chǎng)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(hào)工作頻率不同對(duì)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(hào)入出阻抗較低（50歐姆），在佈線時(shí)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(hào)微波收發(fā)信機(jī)，可以選用改性環(huán)氧樹脂材料如S1139

13、，由於其介電常數(shù)在10GHz時(shí)比較穩(wěn)定、成本較低、多層壓制板工藝與FR4相同。如622Mb/s資料複用分路、時(shí)鐘提取、小信號(hào)放大、光收發(fā)信機(jī)等處建議採(cǎi)用此類板材，以便於製作多層板且板材成本略高於FR4（高4分/cm2左右），缺點(diǎn)是基材厚度沒有FR4品種齊全?；蛘撸瑨?cǎi)用RO4000系列如RO4350，但目前國(guó)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，由於板厚尺寸要求，不便於製作多層印製板。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(guó)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(hào)微波電路如功

14、率放大器和低雜訊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、損耗因數(shù)較低、耐熱特性好、加工工藝與FR4相當(dāng)。其板材成本略高於FR4（高6分/cm2左右）。（5）10GHz以上的微波電路如功率放大器、低雜訊放大器、上下變頻器等對(duì)板材要求更高，建議採(cǎi)用性能相當(dāng)於F4的雙面板材。（6）無(wú)線手機(jī)多層板PCB板材要求板材介電常數(shù)穩(wěn)定度、損耗因數(shù)較低、成本較低、介質(zhì)遮罩要求高，建議選用性能類似PTFE（美國(guó)/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。高頻板材（如RO4000系列）雙面板銅 FR4聚脂膠片銅 FR4聚脂膠片銅 粘接膜FR4高頻板材（如R

15、O4000系列）FR4高頻板材（如RO4000系列）雙面板圖五 典型射頻/數(shù)位多層板結(jié)構(gòu)典型射頻/數(shù)位多層板結(jié)構(gòu)，基於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(duì)傳輸線特性介紹，進(jìn)一步可以從線寬、過孔、線間串?dāng)_、遮罩等四個(gè)方面說明高頻PCB設(shè)計(jì)需要注意的細(xì)節(jié)地方。（1）傳輸線線寬特性阻抗Z0模組2輸入阻抗Z0模組1輸出阻抗Z0傳輸線線寬設(shè)計(jì)基於阻抗匹配理論。 圖六 阻抗匹配 當(dāng)入出阻抗以及傳輸線阻抗匹配時(shí)，系統(tǒng)輸出功率最大（信號(hào)總功率最?。氤龇瓷渥钚?。對(duì)於微波電路，阻抗匹配設(shè)計(jì)還需要考慮器件的工作點(diǎn)。信號(hào)線過孔會(huì)引起阻抗傳輸特性變化，TTL、

16、CMOS邏輯信號(hào)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(hào)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(shí)產(chǎn)生偶合，引起彼此線間串?dāng)_並且影響傳輸線特性阻抗。對(duì)於50歐姆和75歐姆高頻電路尤其需要注意，並在電路設(shè)計(jì)上採(cǎi)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(cè)量和功率控制就是一例。下面的分析對(duì)高頻電路和ECL高速資料（時(shí)鐘）線有效，對(duì)微小信號(hào)電路（如精密運(yùn)算放大電路）有參考價(jià)值。rwsd圖七 傳輸線線間串?dāng)_設(shè)線間偶合度為C，C的大小與r、W/d、S、平行線長(zhǎng)L有關(guān)。間距S愈小，偶合愈強(qiáng)；L愈長(zhǎng)、偶合愈強(qiáng)。為了增加感性認(rèn)識(shí)，舉

17、例：利用這種特性做成的50歐姆定向偶合器。如1.97GHz PCS頻端基站功率放大器,其中d=30 mil、 r=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(hào)線間串?dāng)_，建議A、高頻或高速資料平行信號(hào)線間距離S是線寬的一倍以上。B、儘量減少信號(hào)線間平行的長(zhǎng)度。C、高頻小信號(hào)、微弱信號(hào)避開電源和邏輯信號(hào)線等強(qiáng)干擾源。（3）接地過孔電磁分析。無(wú)論IC器件管腳接地還是其他阻容器件接地，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(hào)接地線通路以理想傳

18、輸線終端接地等效，其駐波狀態(tài)如圖八所示。/8/43/8/25/83/47/8 電壓駐波 電流駐波圖八 駐波狀態(tài)圖由於接地線很短，接地傳輸線相當(dāng)於一個(gè)感性阻抗（n-pH量級(jí)），同時(shí)接地過孔也近似相當(dāng)於一個(gè)感性阻抗，這影響了對(duì)高頻信號(hào)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於一個(gè)，相當(dāng)於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(hào)邏輯對(duì)電源的影響（過沖），在靠近電源管腳處加濾波電容。但在高頻、微波電路中僅僅採(cǎi)取這種措施還不夠。下面以製造工藝為例說明高頻信號(hào)對(duì)電源的干擾。集電極開路

19、輸出射極跟隨輸出圖九高頻信號(hào)對(duì)電源產(chǎn)生高頻干擾的方式 這兩種方式的高頻信號(hào)均對(duì)電源產(chǎn)生高頻干擾，並影響其他功能電路。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(hào)管腳加電感時(shí)請(qǐng)慎重，因?yàn)榇藭r(shí)的電感相當(dāng)於一個(gè)匹配用的電感。（5）遮罩在微小信號(hào)和高頻信號(hào)的PCB設(shè)計(jì)中需採(cǎi)取遮罩措施以減少大信號(hào)（如邏輯電平）干擾或減少高頻信號(hào)的電磁輻射。如：A、 數(shù)位、類比低頻（小於30MHz）小信號(hào)PCB設(shè)計(jì)中，除了在數(shù)位地和類比地分割外，還需對(duì)小信號(hào)佈線區(qū)鋪地，地與信號(hào)線間隔大於線寬。B、 數(shù)位、類比高頻小信號(hào)PCB設(shè)計(jì)中，還需在高頻部分加遮罩罩或鋪地過孔隔離措施。C、 高頻大信號(hào)PCB設(shè)計(jì)中，高頻部分需以獨(dú)立的功能模組設(shè)計(jì)並加遮罩盒以減少高頻信號(hào)對(duì)外的輻射。如光纖155M、622M、2Gb/s的收發(fā)模組。 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。雙工器紅外發(fā)射功放射頻收發(fā)頻率源天線中頻收發(fā)CPU語(yǔ)音/碼片/電源控制