原创 基材与阻抗

基材与阻抗<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

基板的分类

基板材料的主要质量性能

如何为高速电路板选择合适的基材

PCB损耗分析

传输线阻抗计算

FR4介电常数和正切损耗测试方法

参考资料

PCB板材分类

       一般印制板用基板材料可分为两大类：刚性基板材料和柔性基板材料。刚性基板材料的主要品种为覆铜板。它是用增强材料，浸以树脂胶粘剂，通过烘干，裁剪，叠合成胚料，然后敷上铜箔，用钢板做为模具，在热压机中经高温高压成形加工而成。而一般多层板哟娜高的半固化片，则是覆铜板在制作过程中的半成品（多为玻璃布浸以树脂，经干燥加工而成）。

       敷铜箔板的分类有多种。一般按板的增强材料不同，可划分为纸基、玻璃纤维布基、复合基（CEM系列）积层多层板基和特殊材料基（陶瓷、金属芯基）五大类。若按基板采用的树脂胶黏剂不同分，常见的纸基CCL有：酚醛树脂(XPc、XxxPC、FR一1、FR一2等)、环氧树脂(FE一3)、聚酯树脂等各种类型。常见的玻璃纤维布基CCL有环氧树脂(FR一4、FR一5)，它是目前最广泛使用的玻璃纤维布基类型。另外还有其他特殊性树脂(以玻璃纤维布、聚基酰胺纤维、无纺布等为增加材料)：双马来酰亚胺改性三嗪树脂(BT)、聚酰亚胺树脂(PI)、二亚苯基醚树脂(PPO)、马来酸酐亚胺——苯乙烯树脂(MS)、聚氰酸酯树脂、聚烯烃树脂等。

       按CCL的阻燃性能分类，可分为阻燃型(UL94一VO、UL94一V1级)和非阻燃型(UL94一HB级)两类板。近一二年，随着对环保问题更加重视，在阻燃型CCL中又分出一种新型不含溴类物的CCL品种，可称为“绿色型阻燃cCL”。随着电子产品技术的高速发展，对cCL有更高的性能要求。因此，从CCL的性能分类，又分为一般性能CCL、低介电常数CCL、高耐热性的CCL(一般板的L在<?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />150℃以上)、低热膨胀系数的CCL(一般用于封装基板上)等类型。

PCB基板材料的主要质量性能

覆铜板的质量特性有些是可以直接定量来表示的。如覆铜板的大部分电气、机械特性；而有些是无法直接定量表示的，此种情况下就要用一些代用指标去间接定量表示。如耐热特性，常用覆铜板经过一定时间、一定温度或一定的特殊环境处理后，再测定它的电气、机械性能来表示。
覆铜板的质量特性主要表现在以下几方面：
（1）电气特性。包括绝缘性、介电性（介电常数、介质损耗因数等）、耐离子迁移性、耐漏电痕迹性、耐电场强度、铜箔的质量电阻等。
（2）机械特性。包括铜箔与基材的粘接性、机械强度（如弯曲强度等）、抗冲击性、尺寸稳定性、弹性、热变形性等。
（3）化学特性。包括耐热性、玻璃化温度、可焊性、耐化学药品性、耐碱性、耐酸性、耐水性等。
（4）物理特性。包括热膨胀系数、相对密度、燃烧性（阻燃性）、基板加工性、基板平整性（翘曲、扭曲）等。
（5）耐环境特性。包括耐霉性、耐湿性、耐蒸煮性、耐热———冷循环冲击性等。
（6）环保特性。

如何为高速电路板选择合适的基材

电路的类型

       高频电路有两种基本的类型，RF/Analog和高速数字电路。每种类型有各自的需求。因此板材可分为两种类型的材料。

       RF/Analog 电路通常处理很高的精度或者微弱信号。因此电路需要控制与信号损耗相关的参数，其中最关注的两个产生损耗的原因是信号反射以及在损失在介质中的能量。一些特殊的应用中还需要考虑有趋肤效应引起的损耗。

       阻抗变化的原因有如下两个方面，即材料参数随频率或者温度的变化和制程的变化（variations in the processes at the fabricator），信号损失在介质中能量的大小是介质特性的函数，趋肤效应可以通过选择PCB板的敷铜的类型来在一定程度上的控制。

       材料选择对各种能量损耗产生主要的影响，因为材质与RF/Analog领域控制的参数如介质厚度，介电常数（εr/Er/DK），正切损耗(tan (δ))，甚至铜的类型都有紧密的关系。

       与此对应的数字电路可以容许较大的信号损失，并且同样工作的很好，因为数字IC大多都有很宽的噪声边界。只有信号损失程度到和噪音边界像比拟时才会影响到电路的性能。这通常发生在很高频率的数字电路。另一方面，数字电路通常很复杂，且密度很高，这通常需要比较大的面积和较多的层数，这是数字电路材质侧重于容量和价格。于是产生了一组新的材质侧重于数字电路应用。

介质电气参数

       许多介质特性和参数对整个电路板的成功有关，其中影响信号损失的主要参数有四个。介电常数，介质厚度，线宽和正切损耗。第五个问题同样影响信号损耗的就是频率，趋肤效应。要真正控制高频或高速电路。所有的因素都要考虑。

介电常数Er

       相对介电常数表征的绝缘材料对嵌入导体或被包围导体电容大小的影响。也表征了

电磁波在穿过绝缘材料时的减慢程度。介电常数越大，信号在导体中传输的越慢，一个给定导线的阻抗越低，传输线上的杂散电容越大。给定的条件下，小的介电常数通常都较好。

       任何材质的相对介电常数都随频率的不同而不同。一些介质中，这种变化很小，以至于在很敏感的应用中也可以忽略。在另一些介质中如FR4，在一定的频率范围内有较宽的变化。

       介电常数的变化在宽带模拟电路中可能是个和严重的问题。两个常见的问题是传输线阻抗的变化和信号速度在电路工作的整个频率范围能不同。阻抗的变化回到之信号能量的反射，从而影响电路的性能，通常导致电路故障，信号速度的变化会导致相位的偏差，宽带RF和微波电路通常需要较低且相对很定的Er

       介电常数随频率的变化也会影响数字电路，其中最大的影响是导致计算的阻抗和测量的阻抗之间的偏差。大部分FR4压层板的供应商在1Mhz的频率下测量Er如果使用在1Mhz情况下测试的Er计算上升时间为50～150ps的信号的TDR，测量值和计算值将有5～6%的误差。

       设计者在设计时应对板材在整个工作频率内选用正确的Er。阻抗计算应采用工作频率或者测试频率下的Er来补偿频率对Er的影响，以免发生问题。

       另外一个可能产生重要影响并涉及Er的问题是超高速开关应用，这里需要低的Er值来保证信号的快速传播。这种情况下，无论是数字电路还是模拟电路，都必须选用满足操作特性的材料。有许多种为模拟电路设计的具有低且稳定的Er值的材料，同样有好多种专门为数字电路设计的相对低且稳定的Er值的材料。

       还有一个对比较敏感的模拟电路需要考虑的问题是“温度相关介电常数”（Coeffcient of Thermal Expansion relative Permittivity（CTEr））如果板子需要工作在较宽的温度范围内，就应该考虑CTEr

介质厚度和线宽

这两个参数在传输线阻抗控制中都占重要的角色，在制造PCB时每个参数都要仔细控制，这在高频模拟电路的控制比重中占很大的一部分，这些参数的差异是制造者制成控制和所选基材的函数。

       20%的介质厚度变化（线到参考平面）可能导致多大12%的阻抗变化。随这介质厚度的增加，组抗随之增加。这对很薄的介质叠层尤为关键。而20%的线宽变化可能导致10%的阻抗变化，随着线宽的增加，阻抗变小。

正切损耗（tan(δ)）

正切损耗表征的是脉冲信号（电磁波）沿着PCB传输线传播时在介质中损失程度的参数。正切损耗是介质固有树脂类型和分子结构的函数。

       低正切损耗意味正更多的输出信号到达 终端，在电路工作在信号幅度很低的（LNB’）接收器或者降压变压器（block down converters）或者很高电压的应用中这个损耗因素变的尤为重要。因为在5%的信号损失的差别可能意味值许多W的能量损失。数字电路中正切损耗对数G的信号如极高速的以太网电路中也同样十分重要。

       理想的我们希望使用很低正切损耗的材料，不幸的是那可能带来很高的成本，这就是我们分析哪些材料可以工作，哪些材料不能工作的原因，这给也给我们选用便宜材料的自由。

       电路中信号的损失不仅是材料类型的函数也同样是频率和传输线长度的函数。对频率数字电路和模拟电路必须区别对待。模拟信号包含正弦波和变化的正弦波，而且在时域中你看到的是你在频域得到的基础。当正弦波加到传输线中时正弦波的频率在传输中不会变化，但是幅度会降低，这是由正切损耗引起的。由于模拟信号在本质上是正弦波，正切损耗导致信号幅度的降低，信号传输的越远，幅度降低的幅度越大。

       对应的数字信号是方波，他包含一系列的称为谐波的正弦波，这些谐波包含许多频率，在一定的频率范围内都有很强的幅度，其中该频率可由下面公式确定：

Equ1       f=0.35/Tr

其中：     f—频率  单位 Ghz

           Tr 信号上升或下降时间 单位 ns

这意味在数字信号有一个被正切损耗影响的频率带宽。这个带宽从电路的时钟频率开始，一直演示到有上面公式1定义的频率截至。例如，一个频率为500Mhz上升时间200ps的信号需要考虑的带宽为500M到1.75Ghz

       当数字信号沿传输线传播时，由于正切损耗的影响，上升沿和下降沿的谐波中的每个正弦波都会损失幅度，谐振频率也搞损失程度也越大。谐波幅度的降低表现为上升时间和下降时间的减缓，这可能严重的影响电平敏感信号的时序甚至影响时序和边沿触发信号的性能（clock，enable，reset，etc）

       显然没有绝对的方法去确定在那个点上模拟信号为受到损失的影响，每一个模拟电路必须仔细分析啦决定预期的损耗是否在可接受范围内。

数字电路必须单独分析，但是通常情况下在经过整个传输线时第一谐波损耗如果超过3Db就认为电路性能手到严重的影响。也就是说10英寸的传输线如果每英寸的损耗不能超过0.3db，然而这个判断规则有时候并不安全，但是是一个很好的粗略估计方法。

电阻损耗和趋肤效应

       信号沿传输线传播时，由于导线电阻引起的电压降是一个无法回避的事实。从dc到数Mhz的频率，线路中的电流流过整个导线，在这些频率里电阻通常是极小，因此电阻损耗同样很小。一个8mil宽1oz厚的导线在低频每英寸大约有0.06ohm的电阻，这可以有下面公式计算

Equ2   R = ρ L / A

R导线电阻 单位是欧姆

ρ铜线的电阻率

L 导线长度 单位是inch

A 导线的单位横截面积 单位是平方英寸

用信号驱动50ohm的传输线，终端负载电阻为50欧姆电路可以很容易的看到电阻电压降在低频是很小的，大约在多少mV级。

高频信号中，在高频信号产生的电磁场的作用下，随着频率的增加，越来越多的能量被集中于到导线的周围。这就是所谓的趋肤效应。信号进入导线的程度由趋肤深度来衡量。大约66%的能量集中在1趋肤深度中而97%的能量集中在3趋肤深度中。一个趋肤深度在10M时大约为0.0008英寸，10G时大约为0.000028英寸，然后在10G时看上面的例子。大部分的能量将被限制在大约百万分之84英寸的深度内，结果是该网络的导体横截面积变小。

       由于趋肤效应的影响一个8mil线宽的电阻在10G时阻抗大约每英寸1欧姆，这意味这一个3.3V的信号在5英寸导体中50欧姆的负载在10Ghz时产生的压降大约300mv，在大多数的应用中都不能被忽略。

       这对材料选择上有什么选择呢？ 在数字领域内。没有！在模拟电路板可用的材料中。可以采用轧铜，由于表面很平滑，及轧铜的密集特性，使其比电镀铜受到更少的趋肤效应影响根据制造商提供的手册，电镀铜比轧铜在3G~12G的范围内，由趋肤效应引起的损耗大约搞12%。

正切损耗和趋肤效应的联合影响

       数字电路中电阻降低和正切损耗有类似的效应，意味着波形的上升时间和下降时间的变缓由于谐波幅度的降低，并且最高的频率影响最为严重。在模拟电路中这些影响直接影响信号的幅度。

基材选择

       正如上面提到的，基材基本上分为两类，数字电路基材和，模拟电路基材。根据工作参数，材料的主要差别如下：

模拟基材通常有较低的Er并且在较宽频率和温度范围内比较稳定

模拟材料有较高的公差和介质厚度

模拟基材有冷轧铜和电镀铜，而数字基材通常只有电镀铜

只有少量的模拟材料用多层设计，而大部分的数字电路基材采用多层设计

正切损耗根据选用材料的不同而不同，但是通常模拟基材有较低的正切损耗，通常是10%或更多。

一些用在数字领域的材料可以用在模拟电路中，在许多情况下那可能是资源的良好应用。事实上，现在很多被认作是高端高速数字电路的基材用向高频的模拟领域。通过这些材料手册可以看到哪些适合用作模拟应用甚至是在很高的频率。

表一列出了输在电路板的一些材料，在表中列出的材料中BT Epoxy, Cyanate Ester and Polyimide 是在哪些需要较高机械稳定性的应用中替代FR4，Cyanate Ester同时也提供了些性能上的改进，四个Nelco 材料在电气性能上有了很好的提升。两个speedboard材料设计为固化片。Arlon 25 and Rogers 4003原本是用在模拟市场的基材，也用于替代哪些高成本的高度军用设备。他们被列在数字材料是应为很多工程师认为他们在一些需要高端参数的数字电路是一个很好的选择。

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表2列出了一些模拟电路中选用的基材。

其中ultalam 和5000和6000系列材料通常做军用产品。3000系列是商用中与6000相类似的材料。每种材料都是为专门的环境和应用来设计的。上面提到的大部分材料在供应商如Arlon，Taconic 或者3M都有类似的产品。

FR4 PCB损耗分析

插入损耗

插入损耗是电路中多种损耗的总称，他们包括，介质损耗（与正切损耗和Df 有关）连接器损耗，阻抗不匹配（反射）导体损耗和辐射损耗。从设计的观点看，层压板性能中插入损耗要考虑的主要因素是介质损耗和导体损耗。在适当的频率内具有很低损耗的材料（正切损耗大约为0.0009）导体损耗与介质损耗为3：1，随着频率的增加到一定程度，导体损耗和介质损耗的比例将会改变到类似的程度，这个值取决于于材料随频率变化的特性。

介质损耗

由正切损耗的影响的介质损耗是有限的，而且损耗随着频率的升高而比例上升。对通用的微波基板板材像glass reinforced PTFE 正切损耗小于0.0009。而像上边给定的雷兹Arlon’s DiClad 880 介质损耗仅仅是整体损耗的一小部分，而导体损耗占很大的数值。而对高介质损耗的材料像ceramic filled PTFE它的正切损耗为0.0025 ，介质损耗可能仅仅和导体损耗相当。

介质损耗和正切损耗的关系有如下公式

在理想的情况下，介质测试条件是隔绝湿度和化学处理。，这可以最小化（理想化）介质损耗从而计算出材料的正切损耗。通常他并不能代表材料的使用情况。

低正切损耗的材料并不一定是理想的层压板，因为通过标准的IPC测试方法并不能测试出制造过程对层压板性能的影响，被认为低正切损耗的层压板可能因为吸收或注入的湿度而有问题。

导体损耗

第二个需要考虑的问题是导体损耗。Hammerstad and Jensen发现可用下面公式来计算插入损耗。

其中

考虑基板界面的粗糙程度的影响是很必要的，因为他会导致表面电阻的增加和趋肤深度的减小，这种影响通常通过修正因子Kr来衡量。

电流分布参数Ki是对带状线厚度超过3个趋肤深度时的一个很好近似。铜箔表面粗糙程度对导体损耗的影响是因为趋肤效应而增加了传输线阻抗。趋肤效应使导体的表面的分布电流大于它的内部，从而当电流的频率增加时使导体阻抗受到影响，趋肤深度与频率的平方根成反比，转换成电阻与频率的平方根成正比。

Hammerstad and Jensen还通过修正参数Kr来考虑导体表面轮廓的影响，平滑铜箔包层的粗糙程度可以减小导体损耗，但通常已牺牲铜箔到基板的附着力为代价的。微波基板在表面粗糙程度上大约从15~130微英寸。FR-4 and polyimide的粗糙度被认为不是和微波基板，因为这些值很难测量。逐项比较各供应商的层压板和铜板是没有意义的因为他们是在不同的条件下测试的。

PCB阻抗计算

微带线

线路中，布在PCB外层并且其下面以电源或地为参考平面就组成了一个微带线。如下图：

其中阻抗计算公式为：

对FR4 介质，若Er为4.2,H 为4mil W为6mil，导线厚度为1.4mil，则Z0 =50 ohm。

实际中通常可以SI9000的软件去计算阻抗。此处不赘述，可参考相应工具使用。

带状线

PCB中布在内层的走线，其中上下均为参考平面则构成一个带状线，图形如下：

阻抗计算公式如下：

同样带状线阻抗也可以通过si9000等工具来计算阻抗。

FR4介电常数和正切损耗测试方法

这部分可参考论文Determining Dielectric Constant and Loss Tangent in FR-4, 其中提到一个用用介质填充成矩形的谐振腔，测试出S参数和谐振点就可以计算出填充介质的介点常数和正切损耗。

参考书籍

www.pcbres.com

INSERTION LOSS and LOSS TANGENT

Base Materials for High Speed, High Frequency PC Boards

High-Speed Board Layout Guidelines