高频布线工艺与PCB板选材模板.doc
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1、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(r改变误差在1
2、-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
3、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rdtw板材性能指标包含有介电常数r、损耗因子(介质损耗角正切)tg、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r、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(Micros
4、trip 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(17m、0.7mil)到1 OZ(35m、1.35mil),导带特征有基片介电常数r、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e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
5、介质。 图二说明了Z0和W/d、r间关系,W/d愈大Z0愈低、r愈大Z0愈低。图 二 Z0和W/d、r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rW/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)FR44.25.4以4.8为准0.2783.041003mil0.1251不正确0.7033.24758mil0.12377mil0.12671.693.445020mil0.125717mil0.1284S11393.80.392
6、.561004mil0.1090.8892.737510mil0.1102.02.9295024mil0.118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d(板材原因);高频趋肤效应引发导体损耗c。导体损耗是关键,导体损耗c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
7、相对/4或/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、r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c为实际在自由空间中传输波长。由此可见e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rbtw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。1.6
8、mm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)FR44.25.4以4.8为参考505mil0.155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
9、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1.5mm2116X2+7628X2+0.8mm1.57mm7628X4+0.8mm1.60mm7628X4+0.8mm1080X2+7628X2+1mm1.68mm2116X2+7628X2+1mm六层1.5mm1080X4+7628X2+0.43mmX21.6mm1080X4+7628X2+0.43mmX2八层1.5mm1080X6+2116X2+0.27mmX31.57mm1080X6+7628X2+0.27mmX31.60mm1080X6+7628X2+0.27mmX3十层1.6mm1080X8+2116X
10、2+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/1.38mil7mil2.5mil0.43mm2.5mil7mil1OZ /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2.5mil2.5mil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FR4S1139RO4350F4
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