PCB板材选取与高频PCB制板工艺要求(V2)
特性阻抗的影响较大。图三为带状线传输示意。1.6mm厚、八层PCB板、FR4 板材的PCB单板,其50欧姆/75欧姆带状输线线宽参数见表二。
图三 带状线传输特性示意
介电常数 | 特性阻抗 | 八层板b=16mil线宽W | 传播损耗(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性限制。特殊板材一般可提供的不同厚度的板材品种有限,因而设计者在PCB设计过程中必须靠虑板材特性参数、PCB加工工艺的限制。
FR4板材有各种厚度,适用于多层层压的板材品种齐全,表四以FR4板材为例给出一种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,其层压结构如图四所示。
图四 六层板层压结构
4、常用板材性能参数比较
由上所述,板材对PCB设计和加工影响最大的参数主要是介电常数和损耗因子。对于多层板设计,板材选取还需考虑加工冲孔、层压性能。下面是FR4/PTFE/F4/S1139/RO4350等几种板材的参数说明。
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) | 与FR4相当 | 与FR4相当 | 加工通孔时表面需特殊处理 |
表三 板材主要参数性能比较
由以上传输线特性阻抗、损耗、传播波长分析和板材比较,产品设计须考虑成本,市场因素。因此建议在PCB设计中,设计者选取板材考虑如下关键因素:
(1)信号工作频率不同对板材要求不同。
(2)工作在1GHz以下的PCB可以选用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性阻抗和线间耦合,缺点是不同厂家以及不同批生产的FR4板材掺杂不同,介电常数不同(4.2-5.4)且不稳定。
(3)工作在622Mb/s以上的光纤通信产品和1G以上3GHz以下的小信号微波收发信机,可以选用改性环氧树脂材料如S1139,由于其介电常数在10GHz时比较稳定、成本较低、多层压制板工艺与FR4相同。如622Mb/s数据复用分路、时钟提取、小信号放大、光收发信机等处建议采用此类板材,以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。或者,采用RO4000系列如RO4350,但目前国内一般用的是RO4350双面板。缺点是:这两种板材不同板厚品种数量不齐全,由于板厚尺寸要求,不便于制作多层印制板。如RO4350,板材厂家生产的规格有10mil/20mil/30mil/60mil等四种板厚,而目前国内进口品种更少,因此限制了层压板设计。
(4)3GHz以下的大信号微波电路如功率放大器和低噪声放大器建议选用类似RO4350的双面板材,RO4350介电常数相当稳定、损耗因子较低、耐热特性好、加工工艺与FR4相当。其板材成本略高于FR4(高6分/cm2左右)。
(5)10GHz以上的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,建议采用性能相当于F4的双面板材。
(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,建议选用性能类似PTFE(美国/欧洲等多用)的板材,或FR4和高频板组合粘接组成低成本、高性能层压板。
图五 典型射频/数字多层板结构
典型射频/数字多层板结构,基于RO4350板材的层压板,其可能的带状线和微带传输线结构见图五。
5、高频板PCB工艺
根据以上对传输线特性介绍,进一步可以从线宽、过孔、线间串扰、屏蔽等四个方面说明高频PCB设计需要注意的细节地方。
(1)传输线线宽
传输线线宽设计基于阻抗匹配理论。
图六 阻抗匹配
当入出阻抗以及传输线阻抗匹配时,系统输出功率最大(信号总功率最小),入出反射最
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