高頻電子產(chǎn)品中具有控制特性阻抗性PCB設(shè)計技術(shù)_高都電子P

當(dāng)前世界性的環(huán)境保護(hù)的需求，使得電子產(chǎn)品要具有省能源部小型化特的要求更加強(qiáng)烈。這也促使了數(shù)據(jù)、信息處理的電子產(chǎn)品，向高速、大容量化的深層次的推進(jìn)。另一方面，個人需求的IT產(chǎn)品，也同樣向著功能復(fù)合化、高性能化（高速化）、低消費(fèi)電力化的方向進(jìn)展。在電子產(chǎn)品的信號傳送方式上，由并行傳輸方式向著連續(xù)方式發(fā)展。并且還開始出現(xiàn)了在電氣傳輸中加入了光路傳輸?shù)姆绞?。電子元器件的高集成化、高頻化的發(fā)展，使得具有高頻性的印制電路板需求量在不斷的增高。

過去，印制電路板只起到了安裝在它上面的電子部品之間的電氣互連的功能。而現(xiàn)在，又提出了許多的新功能的要求，例如：整機(jī)產(chǎn)品的高速、大容量化要求PCB的信號傳輸?shù)姆€(wěn)定化；要求PCB有防止EMI/EMC的相應(yīng)對策；由于組件的MCM(Multi Chip Module)化、SiP(System in a Package)化的高密度安裝以及電子部品的發(fā)熱源的高度集中的問題等，都要求PCB具有更商的耐熱性、散熱性；基板的元器件內(nèi)藏等產(chǎn)品形式的出現(xiàn)，出賦予PCB新的功能。從提高操作性、加工性及降低制造成本的觀點(diǎn)上出發(fā)，IC封裝所使用的基板，由陶瓷等無機(jī)類PCB材料，向著使用環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺樹脂等有機(jī)類PCB基板材料方向的轉(zhuǎn)化。

1.高頻電子產(chǎn)品中具有控制特性阻抗性的PCB設(shè)計技術(shù)所涉及的方面。

具有高精度控制特性阻抗性的PCB制造，是整體把握的設(shè)計技術(shù)所保證。而這一系統(tǒng)的整體設(shè)計技術(shù)，主要包括了基板材料的介電特性、部品特性、設(shè)計方法、PCB制造特性、組裝方法等的技術(shù)。正如圖1所描述那樣，高精度控制特性阻性的PCB有著三大方面（高精度層壓技術(shù)、高精度電鍍技術(shù)、高精度圖形形成技術(shù)）的要素技術(shù)。

一般的高頻性印制電路板基板材料的特性，包括著它的信號傳播損失?。ň哂械徒殡姵?shù)性、低介質(zhì)損耗因數(shù)性）、信號傳輸速度高、在介電特性方面受到頻率、溫度、濕度變化下而表現(xiàn)出的高穩(wěn)定性等內(nèi)容。

選擇高頻性印制電路板基板材料，首先必須要考慮到它在高頻電路PCB上的信號傳播損失的特性。1GHZ以上領(lǐng)域內(nèi)還會存在著由于“表皮效果”（又稱為“肌膚效應(yīng)”）問題，它造成的導(dǎo)體損失。

還應(yīng)該認(rèn)識到，在基板材料上、在PCB制造上、在組裝上由于存在著微小偏差（特別是在層間厚度、介電常數(shù)、導(dǎo)體厚度、導(dǎo)體寬度四個方面的偏差），就會造成基板材料的特性阻抗的不整合，出現(xiàn)反射、衰減量的增大。

2.有關(guān)基板材料的選擇

制造高頻性印制電路板，對基板材料的選擇是十分重要的。在選擇基板材料時，應(yīng)該注意以下的四點(diǎn)原則。

（1） 對影響介電特性關(guān)鍵項(xiàng)目的考慮

對絕緣基板材料介電體特性的考慮，首要的是要選擇介質(zhì)損失因數(shù)值小的基板材料?；宀牧系臉渲肿訕?gòu)造中具有極性結(jié)構(gòu)部分，由于在高頻條件下對頻率條件下對頻率信號會產(chǎn)生振動、熱、雜波的變化，至使信號電壓出現(xiàn)衰減。

另外，要選擇介民常數(shù)小的基板材料。介電常數(shù)與介電體損失、信號的傳輸速度、信號的波長的縮短率相關(guān)?；宀牧系慕殡姵?shù)值高，波長的縮短率則大。例如，一般的環(huán)氧樹脂-玻璃纖維布基覆銅板（通稱FR-4）的介電常數(shù)（公稱值）為“4.7”，為了簡便計算讓為“4.0”。 1GHZ的模擬信號的波長在空氣中（空氣的介電常數(shù)為1）為30mm，當(dāng)傳輸路線為300mm長時，振幅次數(shù)為10個。采用FR-4基板材料的配線圖形，由于它介電常數(shù)比空氣的介電常大4倍，在同樣長度（30mm）的傳輸路線情況下，振幅次數(shù)增加到20個。而在信號的振幅方面，由于反射、吸收的關(guān)系其信號衰減量要大于在空氣中傳輸?shù)乃p量。

RF電路、天線電路多采用波長（λ）為λ/4的設(shè)計。由于存在著介電常數(shù)與波長的縮短率成正比的關(guān)系，使用這兩種電路設(shè)計，對基板材料要求低的介電常數(shù)的設(shè)計。在過去用KHZ、MHZ頻率電路設(shè)計的時代，曾經(jīng)使用過高介電常數(shù)、低介質(zhì)損失因數(shù)的陶瓷基板材料（它的介電常為10，介質(zhì)損失因?yàn)?.0002）。在1GHZ傳輸頻率下，信號波長在空氣中為30mm，而采用FR-4基板材料的配線圖形上的信號波長為15mm。λ/4的設(shè)計方式下，配線長度縮短為3.75mm。從印制電路板制造質(zhì)量的精度上考慮，使用高介電常數(shù)的基板材料，若想得到所要求的高頻性能是很困難的。因此，在1GHZ以上的電路要求的情況下，采用低介電常數(shù)的基板材料制造PCB是十分必要的。而使用有機(jī)樹脂系基材，要比陶瓷基材更易實(shí)現(xiàn)基板材料的低介電常數(shù)、低介質(zhì)損失因數(shù)化的要求。表1介紹了目前市場上具有代表性的有機(jī)樹脂類的低介電常數(shù)性基板材料產(chǎn)品。

(2） 在頻率變化下的對介電體特性的考慮

目前一般所用的典型基板材料——FR-4覆銅板及具體代表性的低介電常數(shù)的基材料，在不同的頻率條件下的介電常數(shù)和介質(zhì)損失因數(shù)的變化情況。

低介電常的基板材料，在1GHZ以上在介電特性上是基本變化不大的。而在1MHZ –1MHZ頻率范圍內(nèi)，它的介電特性測定值“混亂”——變化跳動較大。

FR-4基板材料的介電常數(shù)在1MHZ時是4.7，在1GHZ時是4.3。隨著頻率條件的不同而略微有變化。并且從1MHZ到1GHZ的頻率增高，它表現(xiàn)出略微下降的趨勢。

（3） 在環(huán)境變化下的對介質(zhì)體特性的考慮

選擇高頻電路用的基板材料，還應(yīng)該注意考察在高頻元器件發(fā)熱量大的情況下，以及在高溫、高濕環(huán)境情況下，基板材料的介電特性的變化大小。一般要選擇在上述環(huán)境變化下介電特性變化小的基板料。在高溫、高濕環(huán)境情況下，一般的基板材料的ε和tanδ值是上升的。因此，根據(jù)所使用的環(huán)境中的溫度、濕度的變化情況，去掌握基材料的介電特性能變化量，是十分重要的。

(4） 在頻率、溫濕度變化下的對介電特性穩(wěn)定性的評價

對基板材料介電特性在頻率、溫濕度變化下的穩(wěn)定性的評價，首先要用這種基板材料制作出測試專用印制電路板。然后采用電路分析的手段，對S參數(shù)的進(jìn)行測定（S21：減衰量、S11：反射量）。并檢測其位相特性、VSWR、特性阻抗等。在檢測中必須要注意考慮在檢測中的影響度。這種檢測中止差，對檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性影響是至關(guān)重要的。

3.有關(guān)板材料組成結(jié)構(gòu)的設(shè)計

3.1基板材料的介電特性的穩(wěn)定化

為了實(shí)現(xiàn)高頻電路下波長的縮短，要求基板材料具有穩(wěn)定的介常數(shù)值。即從微觀角度上講，介電常數(shù)值達(dá)到均勻一致。對于有玻纖布增強(qiáng)的基板材料來講，實(shí)現(xiàn)這一特性的重要途徑，是基板材料的構(gòu)成要100％的采用經(jīng)開纖處理過的玻璃纖維布。從而達(dá)到基板材料組成中的玻璃纖維布與樹脂分布的均一化。

玻璃纖維布的開纖處理，是采用高壓射水的方法對玻璃纖維布進(jìn)行再加工的一種處理。末經(jīng)開纖處理的玻纖經(jīng)緯紗交織點(diǎn)凸起，四周孔隙明顯。而利用高壓水對玻纖布的經(jīng)緯紗露在布面的部分進(jìn)行“噴水針刺法”開纖處理的玻纖布，其經(jīng)緯紗中的纖維開松，均勻散開而呈為扁平狀。它的經(jīng)緯紗交織點(diǎn)的凸起得減緩。它的纖維分散開來，填充了交織點(diǎn)周圍的孔隙，這樣起到了有利于在基板材料各個部位的樹脂均勻一致分布的效果。

大多的板材料，其樹脂的重量比在35-65％范圍。以FR-4為例的基板材料中不同樹脂量與不同頻率的介電特性對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)樹脂量越高越接近樹脂本身的介電常數(shù)值，整個基板材料的介電常數(shù)表現(xiàn)越低。而從圖9所示，當(dāng)樹脂量越小，整個基板材料的介質(zhì)損失因數(shù)值就越接近玻璃纖維布的介質(zhì)損失因數(shù)值，即介質(zhì)損失因數(shù)值表現(xiàn)出越小?？梢詮睦碚撋嫌嬎愠鲈诓煌瑯渲c玻璃纖維布含量的比例時，整個基板材料的介電常數(shù)值。

3.2基板材料的樹脂量對其他性能的影響

基板材料的樹脂量不但對介電特性有很大的影響，而且對基板材料的玻璃化溫度（Tg）、板的厚度方向（Z方向）和面方向（X、Y方向）的熱膨脹系數(shù)（即尺寸穩(wěn)定生）也有著重要影響。當(dāng)樹脂量小時，板的Tg高，熱膨脹系數(shù)小。在高溫條件下，所使用的樹脂由于一般會產(chǎn)生水分解反應(yīng)，使得它的絕緣電阻下降，造成基板材料的絕緣性惡化。當(dāng)樹脂量越大，這種變化特性就越明顯。而板的熱膨脹系數(shù)大小，直接關(guān)朕到印制電路板的通孔可靠性、焊接可靠性的好壞。

3.3基板材料熱膨脹系數(shù)與玻璃纖維布、樹脂的關(guān)系

使用玻璃纖維布作為增強(qiáng)的基板材料，它的X、Y方向的熱膨脹系數(shù)，主要與玻璃纖維布制造方法（單絲直徑、玻璃紗的線密度、織物密度等）有很大的依存關(guān)系。而基板材料的厚度方向的熱膨系數(shù)的大小，主要與樹膨脹系數(shù)有著依存的關(guān)系。在這一類基板材料的構(gòu)成中添加了填充材料，會由于降低樹脂量而在基板材料的熱膨脹量方面得到了抑制。

3.4基板材料的填充材料對基板材料的性能提高所起到的效果

一些無鹵化基板材料、適于激光鉆孔的基板材料，一般要在基板材料樹脂中混入無機(jī)填充材料。在達(dá)到板的規(guī)定厚度情況下，由于填充材料的入，使用樹脂量比例有所減少。這樣在板Tg上會得到提高。在X、Y、Z方向上熱膨脹量方面會有所減低。由于所加入的填充材料都具有高介電常數(shù)、低介質(zhì)損失因數(shù)特性，這樣造成在樹脂中加入填充材料板的電常數(shù)升高。而在介質(zhì)損失因數(shù)方面有所降低。

4.有關(guān)銅箔

在剛性印制電路板制造中多使用電解銅箔。基板材料中的樹脂與銅箔間的剝離強(qiáng)度，與銅箔的粗化面的表面處理輪廓度大小相關(guān)。一般講，處理面的處理層輪廓大的銅箔，它的剝離強(qiáng)度就高。在存在高頻信號的印制電路板場合，由于有“表皮效果”的影響，只有導(dǎo)電線路的表面才有信號的流通，這樣，當(dāng)銅箔處理面處理層的輪廓大，就在反射、衰減量在的表現(xiàn)。這會引起信號傳問輸損失加大。因此，在減低粗化面處理層的輪廓度，是高頻電路用基板所期望的。

目前對輪廓為4μm以下的銅箔，稱之為低輪廓銅箔（簡稱為VLP銅箔）。在高頻電路中，使用具有低輪廓并且是極薄箔，已經(jīng)成為一種發(fā)展的潮流。由于壓延銅箔是具有低輪廓的特性，使用目前正在積極開發(fā)具有較高剝離強(qiáng)度性能的壓延銅箔品種。

高頻電路基板，不僅需要銅箔的厚度方向降低其尺寸分散問題，而且還期望銅箔低面（靠基材樹脂的面）的寬幅的尺寸精度也有所提高。低輪廓銅箔易于實(shí)現(xiàn)上述兩項(xiàng)對銅箔的性能要求。并且，采用低輪廓銅箔，還由于它在蝕刻電路圖形的加工后，在基板上銅粉的殘留甚少（或者是沒有），因此可帶來PCB的耐電壓性、長期電氣絕緣性提高的效果。

5.關(guān)于PCB制造中圖形尺寸精度的控制

印制電路板制造中對特性阻抗精度的控制，存在著六個方面（包括十個參數(shù)）的構(gòu)成要素。它們包括：①絕緣層厚度（即PCB層間厚度）（h）及其厚度精度（△h）；②導(dǎo)體寬度（w）及其寬度精度（△w）；③蝕刻因子（ef）；④導(dǎo)體厚度（t）及其厚度精度（△t）；⑤介電常數(shù)值（ε）及其精度（△ε）；⑥阻焊劑膜厚度（mh）。這些要素，對于控制PCB的特性阻抗大小及其精度有著直接的影響，并左右著印制電路板的高頻特性的實(shí)現(xiàn)情況。

在上述的特性阻抗的構(gòu)成要素中，介電常數(shù)值的精度與基板材料（半固化片）的樹脂含量的均勻程度密切相關(guān)。而導(dǎo)線的蝕刻因子、導(dǎo)體寬度精度要素都與銅箔的處理面輪廓度大小直接相關(guān)聯(lián)。

半固化片樹脂含量的技術(shù)指標(biāo)，是各個基板材料生產(chǎn)廠根據(jù)用戶廠（印制電路板生產(chǎn)廠）實(shí)際成型加工工藝的不同及生產(chǎn)水平的能力而制定的。由于樹脂量的不同，使得在半固化片的熔融粘度上有所差導(dǎo)及在層壓工藝上也就存在著不同。這些會帶來PCB在絕緣層厚度及其精度上有所差別。因此，采用不同廠家、不同樹脂量指標(biāo)的半固化片材料所生產(chǎn)的多層板，在它的介電特性，特別是介電常數(shù)值上，表現(xiàn)出其高低及精度的不同?？梢钥闯?，若想要提高PCB的特性高精度控制，基板材料生產(chǎn)廠在生產(chǎn)半固化片的樹脂量的指標(biāo)控制方面，必須要與印制電路板生產(chǎn)廠家達(dá)到很好的配合。