高频布线工艺和PCB板选材

1、高頻佈線工藝和PCB板選材國家數位交換系統工程技術研究中心張建慧 饒龍記 鄭州1001信箱787號摘要：本文通過對微帶傳輸特性、常用板材性能參數進行比較分析，給出用於無線通信類比前端、高速數位信號等應用中PCB板材選取方案，進一步從線寬、過孔、線間串擾、遮罩等方面總結高頻板PCB設計要點。關鍵字：PCB板材、PCB設計、無線通信、高頻信號 近年來在無線通信、光纖通信、高速資料網路產品不斷推出，資訊處理高速化、無線模擬前端模組化，這些對數位信號處理技術、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、穩定的介電常數（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採取折衷。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、改性環氧樹脂FR4等。特殊板材如：衛星微波收發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用於1GHz以下

3、混合信號電路、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、改性環氧樹脂FR4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，所以得到廣泛應用。下面我們從微帶傳輸線特性、多層板層壓工藝、板材參數性能比較等多個方面分析，給出了對於特殊應用的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rdtw板材的性能指標包括有介電常數r、損耗因數（介質損耗角正切）tg、表面光潔度、表面導體導電率、抗剝強度、熱漲係數、抗彎強度等。其中介電常數r、損耗因數是主要參數。高速資料信號或高頻信號傳輸常用到

4、微帶線（Microstrip Line），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（17m、0.7mil）到1 OZ（35m、1.35mil），導帶特性有基片介電常數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計算如下： 當w/d 1，微帶傳輸線的特性阻抗Z0表示為： Z0當 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，是把兩種介質對微帶特

5、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、r間的關係，W/d愈大Z0愈低、r愈大Z0愈低。圖 二 Z0和W/d、r間的關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，見表一。介電常數rW/d有效介電常數特性阻抗四層板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為准0.2783.041003mil0.1251不準確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 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d（板材原因）；高頻趨膚效應引起的導體損耗c。導體損耗是主要的，導體損耗c與W/h（h為基片厚度）成反比，也與光潔度有關。當W/h一定，介質損耗與損耗因數和頻

7、率成正比。（3）微帶色散特性 當頻率高到微帶尺寸相對/4或/2足夠大時，將出現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、r越高，微帶色散越嚴重，或板材確定後，頻率愈高色散愈嚴重。（4）信號在介質中的傳輸波長和相速c為實際在自由空間中傳播波長。由此可見e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rbtw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係同微帶傳輸線相似，與W/b,t/b有關，與微帶傳輸線不同的是

8、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見表二。 圖三 帶狀線傳輸特性示意介電常數特性阻抗八層板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等參數受到板材特性限制。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、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構和板材厚度分配參數，以供PCB設計工程師參考。層數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，其他為介質基片，銅皮厚度均為1OZ（35um/1.37mil）表三 FR4層壓板結構參數六層板、完成板厚度為1.6mm，其層壓結構如圖四所示。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層第五層地層圖四 六層板層壓結構4 常用板

11、材性能參數比較性能參數單位板材FR4S1139RO4350F4(SGP-500)PTFE介電常數4.25.43.83.482.62.5損耗角正切0.0350.0080.0040.00220.0019r溫度係數ppm/0cN/A50熱脹係數ppm/0c21141621銅箔抗剝強度pli102.90.92.9尺寸穩定度mm/m0.5加工工藝難易(孔化、表面處理)與FR4相當與FR4相當加工通孔時表面需特殊處理注，測試方法未列出由上所述，板材對PCB設計和加工影響最大的參數主要是介電常數和損耗因數。對於多層板設計，板材選取還需考慮加工沖孔、層壓性能。下面是FR4/PTFE/F4/S1139/RO43

12、50等幾種板材的參數說明。表 三 板材主要參數性能比較 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），在佈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的FR4板材摻雜不同,介電常數不同（4.2-5.4）且不穩定。（3）工作在622Mb/s以上的光纖通信產品和1G以上3GHz以下的小信號微波收發信機，可以選用改性環氧樹脂材料如S1139

13、，由於其介電常數在10GHz時比較穩定、成本較低、多層壓制板工藝與FR4相同。如622Mb/s資料複用分路、時鐘提取、小信號放大、光收發信機等處建議採用此類板材，以便於製作多層板且板材成本略高於FR4（高4分/cm2左右），缺點是基材厚度沒有FR4品種齊全。或者，採用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，板材廠家生產的規格有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

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介電常數相當穩定、損耗因數較低、耐熱特性好、加工工藝與FR4相當。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、上下變頻器等對板材要求更高，建議採用性能相當於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穩定度、損耗因數較低、成本較低、介質遮罩要求高，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。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/數位多層板結構典型射頻/數位多層板結構，基於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工藝根據以上對傳輸線特性介紹，進一步可以從線寬、過孔、線間串擾、遮罩等四個方面說明高頻PCB設計需要注意的細節地方。（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傳輸線線寬設計基於阻抗匹配理論。 圖六 阻抗匹配 當入出阻抗以及傳輸線阻抗匹配時，系統輸出功率最大（信號總功率最小），入出反射最小。對於微波電路，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、

16、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生偶合，引起彼此線間串擾並且影響傳輸線特性阻抗。對於50歐姆和75歐姆高頻電路尤其需要注意，並在電路設計上採取措施。實際電路設計中還用到這種偶合特性，如手機發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高速資料（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。rwsd圖七 傳輸線線間串擾設線間偶合度為C，C的大小與r、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

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為了減小信號線間串擾，建議A、高頻或高速資料平行信號線間距離S是線寬的一倍以上。B、儘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，其理論依據是：高頻信號接地線通路以理想傳

18、輸線終端接地等效，其駐波狀態如圖八所示。/8/43/8/25/83/47/8 電壓駐波 電流駐波圖八 駐波狀態圖由於接地線很短，接地傳輸線相當於一個感性阻抗（n-pH量級），同時接地過孔也近似相當於一個感性阻抗，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於一個，相當於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、微波電路中僅僅採取這種措施還不夠。下面以製造工藝為例說明高頻信號對電源的干擾。集電極開路

19、輸出射極跟隨輸出圖九高頻信號對電源產生高頻干擾的方式 這兩種方式的高頻信號均對電源產生高頻干擾，並影響其他功能電路。除了電源管腳加濾波電容外，還需要串聯電感的抑制高頻干擾。串聯電感的選取與工作頻率有關。依據是如果電源腳過濾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於一個匹配用的電感。（5）遮罩在微小信號和高頻信號的PCB設計中需採取遮罩措施以減少大信號（如邏輯電平）干擾或減少高頻信號的電磁輻射。如：A、 數位、類比低頻（小於30MHz）小信號PCB設計中，除了在數位地和類比地分割外，還需對小信號佈線區鋪地，地與信號線間隔大於線寬。B、 數位、類比高頻小信號PCB設計中，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PCB設計中，高頻部分需以獨立的功能模組設計並加遮罩盒以減少高頻信號對外的輻射。如光纖155M、622M、2Gb/s的收發模組。 多層PCB布板（諾基亞6110），雙面放器件，手機PCB設計如圖十所示。雙工器紅外發射功放射頻收發頻率源天線中頻收發CPU語音/