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高频布线工艺和PCB板选材
国家数字交换系统工程技术研究中心
张建慧 饶龙记 [郑州1001信箱787号]

摘要：本文经过对微带传输特征、常见板材性能参数进行比较分析，给出用于无线通信模拟前端、高速数字信号等应用中PCB板材选择方案，深入从线宽、过孔、线间串扰、屏蔽等方面总结高频板PCB设计关键点。
关键字：PCB板材、PCB设计、无线通信、高频信号

多年来在无线通信、光纤通信、高速数据网络产品不停推出，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板材、稳定介电常数（εr改变误差在±1-2％间）、低介电损耗（0.005以下）。具体到手机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。为了挑战日益猛烈市场竞争，电子工程师必需在材料性能、成本、加工工艺难易及成品板可靠性间采取折衷。
现在可供选择板材很多，有代表性常见板材有：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。它们使用场所不一样，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）。因为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征、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PCB板材选择方案，总结了高频信号PCB设计关键点，供广大电子工程师参考。

1微带传输线传输特征

εr
d
t
w

板材性能指标包含有介电常数εr、损耗因子（介质损耗角正切）tgδ、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εr、损耗因子是关键参数。
高速数据信号或高频信号传输常见到微带线（Microstrip Line），由附着在介质基片两边导带和导体接地板组成，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输引发传输相速不等会产生辐射分量、假如合理选择微带尺寸这种分量很小。 图 一 基片结构示意
图一基片结构所表示，铜皮厚t通常很小，在0.5OZ（17μm、0.7mil）到1 OZ（35μm、1.35mil），导带特征有基片介电常数εr、线宽W、板厚d决定。
（1）微带传输线特征阻抗
微带传输线特征阻抗Z0计算以下：
当w/d ≤1，微带传输线特征阻抗Z0表示为：
Z0

当 w/d ≥1，微带传输线特征阻抗Z0表示为：

Z0

其中εe叫有效介电常数，是把两种介质对微带特征阻抗贡献等效为一个假想均匀介质。
图二说明了Z0和W/d、εr间关系，W/d愈大Z0愈低、εr愈大Z0愈低。
图 二 Z0和W/d、εr间关系
以汕头超声印制板厂提供板厚1.68mm(顶层厚0.3mm)FR4/S1139为例，给出50欧姆/75欧姆微带传输线线宽参数，见表一。
介电常数εr
W/d
有效介电常数
特征阻抗
四层板d=0.3mm
八层板d=10mil
线宽W
传输损耗（dB/m）
线宽W
传输损耗（dB/m）
FR4
4.2~5.4以4.8为准
0.278
3.04
100
3mil
0.1251
不正确

0.703
3.24
75
8mil
0.1237
7mil
0.1267
1.69
3.44
50
20mil
0.1257
17mil
0.1284

S1139

3.8
0.39
2.56
100
4mil
0.109

0.889
2.73
75
10mil
0.110

2.0
2.929
50
24mil
0.118

注
t厚度为1OZ/35um/1.37mil

表一 50欧姆/75欧姆微带传输线线宽参数

一样在六层板和八层板微带传输线设计中假如已知微带线介质厚度d，依据W/d 值能够计算出微带传输线线宽W。
（2）微带传输线损耗
微带传输线损耗由三个原因决定：半开放性引发辐射（这种损耗很小）；介质热损耗αd（板材原因）；高频趋肤效应引发导体损耗αc。导体损耗是关键，导体损耗αc和W/h（h为基片厚度）成反比，也和光洁度相关。当W/h一定，介质损耗和损耗因子和频率成正比。
（3）微带色散特征
当频率高到微带尺寸相对λ/4或λ/2足够大时，将出现严重色散特征还增加了辐射损耗。假如固定在某个频率，在此频率下色散效应可不考虑。阻抗越低、基片越厚、εr越高，微带色散越严重，或板材确定后，频率愈高色散愈严重。

（4）信号在介质中传输波长和相速
λc为实际在自由空间中传输波长。由此可见εe越高波长减短，信号在传输线中相速降低。由相速和传输线长可得传输时延t=Vp*L。

2 带状线传输特征

εr
b

t
w
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。其传输特征阻抗、损耗、传输波长和介质材料关系同微带传输线相同，和W/b,t/b相关，和微带传输线不一样是t对传输特征阻抗影响较大。图三为带状线传输示意。1.6mm厚、八层PCB板、FR4 板材PCB单板，其50欧姆/75欧姆带状输线线宽参数见表二。 图三 带状线传输特征示意
介电常数
特征阻抗
八层板b=16mil线宽W
传输损耗（dB/m）

FR4
4.2~5.4
以4.8为参考
50
5mil
0.155
注
t厚度为1OZ/35um/1.37mil

表二 50欧姆/75欧姆带状线传输线线宽参数
3 PCB板层压工艺及分层要求
PCB板多层层压板总厚度和层数等参数受到板材特征限制。特殊板材通常可提供不一样厚度板材品种有限，所以设计者在PCB设计过程中必需靠虑板材特征参数、PCB加工工艺限制。
FR4板材有多种厚度，适适用于多层层压板材品种齐全，表四以FR4板材为例给出一个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。

层数
完成板厚度
叠层组成

四层
1.5mm
2116X2+7628X2+0.8mm
1.57mm
7628X4+0.8mm
1.60mm
7628X4+0.8mm
1080X2+7628X2+1mm
1.68mm
2116X2+7628X2+1mm
六层
1.5mm
1080X4+7628X2+0.43mmX2
1.6mm
1080X4+7628X2+0.43mmX2

八层
1.5mm
1080X6+2116X2+0.27mmX3
1.57mm
1080X6+7628X2+0.27mmX3
1.60mm
1080X6+7628X2+0.27mmX3
十层
1.6mm
1080X8+2116X2+0.2mmX3
注
1080板厚2.5mil /2116板厚4.3mil/7628板厚7mil。毫米板为双面敷铜板，其它为介质基片，铜皮厚度均为1OZ（35um/1.37mil）

表三 FR4层压板结构参数

六层板、完成板厚度为1.6mm，其层压结构图四所表示。

基材

双面板

1OZ /35um/1.38mil
7mil
2.5mil
0.43mm
2.5mil
7mil
1OZ /35um/1.38mil
基材
基材
基材
顶层
底层
第二层地层
铜箔
铜箔

双面板

0.43mm
基材
基材
2.5mil
2.5mil
第三层电源
第四层信号层
第五层地层

图四 六层板层压结构
4 常见板材性能参数比较
性能参数
单位
板材
FR4
S1139
RO4350
F4(SGP-500))
PTFE
介电常数

4.2~5.4
3.8
3.48
2.6
2.5
损耗角正切

≤0.035
0.008
0.004
0.0022
0.0019
εr温度系数
ppm/0c
N/A

50

热胀系数
ppm/0c

21
14~16
21

铜箔抗剥强度
pli
10
2.9
0.9
2.9

尺寸稳定度
mm/m

0.5

加工工艺难易(孔化、表面处理)

和FR4相当
和FR4相当
加工通孔时表面需特殊处理

注，测试方法未列出
由上所述，板材对PCB设计和加工影响最大参数关键是介电常数和损耗因子。对于多层板设计，板材选择还需考虑加工冲孔、层压性能。下面是FR4/PTFE/F4/S1139/RO4350等多个板材参数说明。

表 三 板材关键参数性能比较

由以上传输线特征阻抗、损耗、传输波长分析和板材比较，产品设计须考虑成本，市场原因。所以提议在PCB设计中，设计者选择板材考虑以下关键原因：
（1）信号工作频率不一样对板材要求不一样。
（2）工作在1GHz以下PCB能够选择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征阻抗和线间耦合，缺点是不一样厂家和不一样批生产FR4板材掺杂不一样,介电常数不一样（4.2-5.4）且不稳定。
（3）工作在622Mb/s以上光纤通信产品和1G以上3GHz以下小信号微波收发信机，能够选择改性环氧树脂材料如S1139，因为其介电常数在10GHz时比较稳定、成本较低、多层压制板工艺和FR4相同。如622Mb/s数据复用分路、时钟提取、小信号放大、光收发信机等处提议采取这类板材，方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，采取RO4000系列如RO4350，但现在中国通常见是RO4350双面板。缺点是：这两种板材不一样板厚品种数量不齐全，因为板厚尺寸要求，不便于制作多层印制板。如RO4350，板材厂家生产规格有10mil/20mil/30mil/60mil等四种板厚，而现在中国进口品种更少，所以限制了层压板设计。
（4）3GHz以下大信号微波电路如功率放大器和低噪声放大器提议选择类似RO4350双面板材，RO4350介电常数相当稳定、损耗因子较低、耐热特征好、加工工艺和FR4相当。其板材成本略高于FR4（高6分/cm2左右）。
（5）10GHz以上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，提议采取性能相当于F4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，提议选择性能类似PTFE（美国/欧洲等多用）板材，或FR4和高频板组合粘接组成低成本、高性能层压板。

高频板材（如RO4000系列）双面板

铜
FR4聚脂胶片
铜
FR4聚脂胶片
铜
粘接膜
FR4
高频板材（如RO4000系列）

FR4

高频板材（如RO4000系列）双面板

图五 经典射频/数字多层板结构

经典射频/数字多层板结构，基于RO4350板材层压板，其可能带状线和微带传输线结构见图五。

5高频板PCB工艺

依据以上对传输线特征介绍，深入能够从线宽、过孔、线间串扰、屏蔽等四个方面说明高频PCB设计需要注意细节地方。
（1）传输线线宽
特征阻抗Z0
模块2
输入阻抗Z0
模块1
输出阻抗Z0

传输线线宽设计基于阻抗匹配理论。
图六 阻抗匹配

当入出阻抗和传输线阻抗匹配时，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工作点。信号线过孔会引 起阻抗传输特征改变，TTL、CMOS逻辑信号线特征阻抗高，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。通常要求信号线没有过孔。
（2）传输线线间串扰
当两根平行微带线间距很小时产生偶合，引发相互线间串扰而且影响传输线特征阻抗。对于50欧姆和75欧姆高频电路尤其需要注意，并在电路设计上采取方法。实际电路设计中还用到这种偶合特征，如手机发射功率测量和功率控制就是一例。下面分析对高频电路和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。
εr
w
s
d

图七 传输线线间串扰

设线间偶合度为C，C大小和εr、W/d、S、平行线长L相关。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：利用这种特征做成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、 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
为了减小信号线间串扰，提议
A、高频或高速数据平行信号线间距离S是线宽一倍以上。
B、尽可能降低信号线间平行长度。
C、高频小信号、微弱信号避开电源和逻辑信号线等强干扰源。
（3）接地过孔电磁分析。
不管IC器件管脚接地还是其它阻容器件接地，在高频电路中全部要求接地过孔尽可能地靠近管脚，其理论依据是：高频信号接地线通路以理想传输线终端接地等效，其驻波状态图八所表示。
λ/8
λ/4
3λ/8
λ/2
5λ/8
3λ/4
λ
7λ/8
电压驻波
电流驻波

图八 驻波状态图

因为接地线很短，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原因。为了减小传输线感性负载，微波电路要求接地管脚过孔多于一个，相当于在低频电路中增加接地面电流能力，确保各接地点均为等0电平。
（4）电源滤波。
TTL、CMOS电路为了降低信号逻辑对电源影响（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方法还不够。下面以制造工艺为例说明高频信号对电源干扰。
集电极开路输出

射极跟随输出

图九 高频信号对电源产生高频干扰方法
这两种方法高频信号均对电源产生高频干扰，并影响其它功效电路。除
了电源管脚加滤波电容外，还需要串联电感抑制高频干扰。串联电感选择和工作频率相关。依据是假如电源脚过滤1M以上高频干扰，其中C=0.1uF，则选择L=1uH电感。在外加电源集电极开路信号管脚加电感时请慎重，因为此时电感相当于一个匹配用电感。
（5）屏蔽
在微小信号和高频信号PCB设计中需采取屏蔽方法以降低大信号（如逻辑电平）干扰或降低高频信号电磁辐射。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，地和信号线间隔大于线宽。
B、 数字、模拟高频小信号PCB设计中，还需在高频部分加屏蔽罩或铺地过孔隔离方法。
C、 高频大信号PCB设计中，高频部分需以独立功效模块设计并加屏蔽盒以降低高频信号对外辐射。如光纤155M、622M、2Gb/s收发模块。

多层PCB布板（诺基亚6110），双面放器件，手机PCB设计图十所表示。
双工器
红外发射
功放
射频收发
频率源
天线
中频收发

CPU
语音/码片/电源控制

图十 手机PCB设计示例

6 板材选择举例

以我们设计调试高频（微波）PCB为例说明板材选择。
（1）2.4GHz扩频数字微波中继板材选择
其结构包含2M数字接口、20M扩频解扩、70M中频调制解调板。我们采取FR4板材，四层PCB板，大面积铺地，高频模拟部分电源采取电感扼流圈和数字部分隔离。
2.4GHz射频收发信机采取F4双面板，收发分别用金属盒屏蔽，电源入端滤波。
（2）1.9GHz射频收发信机
其中，功率放大器采取PTFE板材，双面PCB板；射频收发信机采取PTFE板材，四层PCB板。全部是采取大面积铺地，功效模块屏蔽罩隔离方法。
（3）140MHz中频收发信机
顶层用0.3mmS1139板材，大面积铺地，过孔隔离。
（4）70MHz中频收发信机
采取FR4板材，四层PCB板。大面积铺地，功效模块隔离带用一串过孔隔离。
（5）30W功率放大器
采取RO4350板材，双面PCB板。大面积铺地，间距约束大于等于50欧姆线宽，用金属盒屏蔽，电源入端滤波。
（6）MHz微波频率源
采取0.8mm厚S1139板材，双面PCB板。

无线领域器件包含广泛，应用较为复杂，尤其是目前无线通信市场竞争猛烈，产品价格和面市时间越来越成为竞争焦点，所以，电子工程师PCB设计不能单纯考虑技术优异性，必需从多方面折中考虑，平衡技术优异性、价格优势和缩短产品上市时间等关键原因，提升产品竞争力。

作者介绍 张建慧（1968 ~ ），女，硕士、工程师，主研方向：现场可编程器件、印刷电路板、专用ASIC设计和研究