高頻佈線工藝和pcb板選材
國家數字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、常用板材效能引數進行比較分析，給出用於無線通訊模擬前端、高速數碼訊號等應用中pcb板材選取方案，進一步從線寬、過孔、線間串擾、遮蔽等方面總結高頻板pcb設計要點。
關鍵字：pcb板材、pcb設計、無線通訊、高頻訊號
近年來在無線通訊、光纖通訊、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，這些對數字訊號處理技術、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。
如商用無線通訊要求使用低成本的板材、穩定的介電常數（εr變化誤差在±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、整合度高、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效能、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以下混合訊號電路、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、板材引數效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，總結了高頻訊號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
板材的效能指標包括有介電常數εr、損耗因子（介質損耗角正切）tgδ、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εr、損耗因子是主要引數。
高速資料訊號或高頻訊號傳輸常用到微帶線（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，訊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（17μm、0.7mil）到1 oz（35μm、1.35mil），導帶特性有基片介電常數εr、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：
當 w/d ≥1，微帶傳輸線的特性阻抗z0表示為：
其中εe叫有效介電常數，是把兩種介質對微帶特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、εr間的關係，w/d愈大z0愈低、εr愈大z0愈低。
圖二 z0和w/d、εr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引數，見表一。
表一 50歐姆/75歐姆微帶傳輸線線寬引數
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αd（板材原因）；高頻趨膚效應引起的導體損耗αc。導體損耗是主要的，導體損耗αc與w/h（h為基片厚度）成反比，也與光潔度有關。
當w/h一定，介質損耗與損耗因子和頻率成正比。
（3）微帶色散特性
當頻率高到微帶尺寸相對λ/4或λ/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、εr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）訊號在介質中的傳輸波長和相速
λc為實際在自由空間中傳播波長。由此可見εe越高波長減短，訊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
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歐姆帶狀輸線線寬引數見表二圖三帶狀線傳輸特性示意
表二 50歐姆/75歐姆帶狀線傳輸線線寬引數
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引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引數、pcb加工工藝的限制。
fr4板材有各種厚度，適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引數，以供pcb設計工程師參考。
表三 fr4層壓板結構引數
六層板、完成板厚度為1.6mm，其層壓結構如圖四所示。
圖四六層板層壓結構
4 常用板材效能引數比較
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引數主要是介電常數和損耗因子。對於多層板設計，板材選取還需考慮加工沖孔、層壓效能。下面是fr4/ptfe/f4/s1139/ro4350等幾種板材的引數說明。
表三板材主要引數效能比較
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）訊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。如訊號入出阻抗較低（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以上的光纖通訊產品和1g以上3ghz以下的小訊號微波收發信機，可以選用改性環氧樹脂材料如s1139，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資料復用分路、時鐘提取、小訊號放大、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以下的大訊號微波電路如功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、損耗因子較低、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，建議採用效能相當於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、損耗因子較低、成本較低、介質遮蔽要求高，建議選用效能類似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、高效能層壓板。
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