PCB板材选取与高频PCB制板工艺要求(V2)

近年来在无线通信、光纤通信、高速数据网络产品不断推出，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设计提出新的要求，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的板材、稳定的介电常数（ε_r变化误差在±1-2％间）、低的介电损耗（0.005以下）。具体到手机的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。为了挑战日益激烈的市场竞争，电子工程师必须在材料性能、成本、加工工艺难易及成品板的可靠性间采取折衷。

目前可供选用的板材很多，有代表性的常用板材有：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。它们使用的场合不同，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）。由于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性、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的PCB板材选取方案，总结了高频信号PCB设计要点，供广大电子工程师参考。

1、微带传输线传输特性

板材的性能指标包括有介电常数ε_r、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ε_r、损耗因子是主要参数。

高速数据信号或高频信号传输常用到微带线（Microstrip Line），由附着在介质基片两边的导带和导体接地板构成，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播引起传输相速不等会产生辐射分量、如果合理选用微带尺寸这种分量很小。

图一 基片结构示意

如图一基片结构所示，铜皮厚t一般很小，在0.5OZ（17μm、0.7mil）到1 OZ（35μm、1.35mil），导带特性有基片介电常数ε_r、线宽W、板厚d决定。

（1）微带传输线特性阻抗

微带传输线的特性阻抗Z₀计算如下：当w/d ≤1，微带传输线的特性阻抗Z₀表示为：

当w/d ≥1，微带传输线的特性阻抗Z₀表示为：

其中ε_e叫有效介电常数，是把两种介质对微带特性阻抗的贡献等效为一种假想的均匀介质。

图二说明了Z₀和W/d、ε_r间的关系，W/d愈大Z₀愈低、ε_r愈大Z₀愈低。

图二 Z₀和W/d、ε_r间的关系

以汕头超声印制板厂提供的板厚1.68mm(顶层厚0.3mm)的FR4/S1139为例，给出50欧姆/75欧姆微带传输线线宽参数，见表一。

表一  50欧姆/75欧姆微带传输线线宽参数

同样在六层板和八层板微带传输线设计中如果已知微带线的介质厚度d，根据W/d 值可以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因素决定：半开放性引起的辐射（这种损耗很小）；介质热损耗α_d（板材原因）；高频趋肤效应引起的导体损耗α_c。导体损耗是主要的，导体损耗α_c与W/h（h为基片厚度）成反比，也与光洁度有关。当W/h一定，介质损耗与损耗因子和频率成正比。

（3）微带色散特性

当频率高到微带尺寸相对λ/4或λ/2足够大时，将出现严重色散特性还增加了辐射损耗。如果固定在某个频率，在此频率下色散效应可不考虑。阻抗越低、基片越厚、ε_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）信号在介质中的传输波长和相速

λ_c为实际在自由空间中传播波长。由此可见ε_e越高波长减短，信号在传输线中的相速降低。由相速和传输线长可得传播时延t=Vp*L。

2、带状线传输特性

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。其传输特性阻抗、损耗、传播波长与介质材料的关系同微带传输线相似，与W/b，t/b有关，与微带传输线不同的是t对传输