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本文作者：一博科技  周伟   摘要：       随着电子设计、通讯领域的高速发展以及云计算的应用，产品对数据量的要求越来越高，数据传输率也越来越快，同时也要求承载数据传输的PCB性能越来越高。板材的应用直接关系PCB及系统的稳定性、成本，需要我们对材料有全面的认识；本文从PCB构成，板材的大致分类及常规特性，影响高速性能的因素及仿真测试对比，最后以实例来阐述在工程应用中如何选择适合设计要求的高速板材。   关键词：      高速板材，Dk，Df, 表面粗糙度，玻纤效应，仿真验证     引言：       当信号达到一定速率以上，在PCB上尤其是背板上需要走比较长的路径时，如果使用普通的板材可能已经满足不了要求，这个时候就必须要用低损耗的板材，我们又叫高速板材，到底什么是高速板材，高速板材关注哪些参数，以及什么时候需要使用高速板材？本文将围绕材料的参数以及影响高速性能的因素着手，以仿真和测试为手段全面解释我们在工程中该如何去选择高速板材，从而满足产品的最佳性价比。   1.  PCB板材及参数特性       印刷电路板（PCB）是以铜箔基板( Copper-clad Laminate 简称CCL )作为原料而制造的电器或电子的重要机构组件。最基本的构成如下图1所示。 图1       如上图1所示为一个基本的4层板结构，大致由铜箔（Copper），半固化片（PP）和芯板（半成品，PP+铜箔）构成，经过一定的加工就形成了我们熟悉的PCB，如下图2所示。 图2 1.1 PCB板材分类       PCB种类繁多，按照不同的分类方法可以分成多种类型，最常见的有按照基板类型、玻纤类型、供应商树脂体系、损耗和阻燃级别来分，当然还有其他的分类，本文不做重点介绍。       按照基板类型分成刚性基板和柔性基板，本文主要介绍的是刚性基板，如下图3所示。       刚性基板：一般刚性基板材料的重要品种是覆铜板。它是用增强材料(Reinforeing Material)，浸以树脂胶黏剂，通过烘干、裁剪、叠合成坯料，覆上铜箔，用钢板作为模具，在热压机中经高温高压成形加工而制成的。       柔性基板：柔性印刷电路板（Flexible Printed Circuit Board）是以聚酰亚胺或聚酯薄膜为基材制成的一种具有高度可靠性，绝佳的可挠性印刷电路。 图3 按玻纤布类型分类有 106、1067、 1080、1078、2116、2113、3313、7628等； 按供应商所用树脂体系及其性能分类有如下种类：       Rogers RO4003、RO3003、RO4350(PTFE)等       Tuc 862、872SLK、872SLK-SP、TU883、TU933等       Panasonic Megtron4/Megtron6等       Isola FR408HR/408等       ShengYi S1141/S1000-2等 按损耗级别分类：       普通损耗板材、中损耗板材、低损耗板材、超低损耗板材等；       低损耗及超低损耗板材我们通常就叫高速板材，是根据损耗的级别来划分的。 按阻燃性能分类：      阻燃型（UL94-VO,UL94-V1) 和  非阻燃型（UL94-HB级） 按不同的铜箔分类：如下表1所示。 表1 1.2、PCB需关注的材料参数       不管是普通板材还是高速板材，我们都需要关注材料本身的一些特性，因为他们最终会影响PCB的性能及适用性。        Dk Df       Dk即介电常数，又叫介质常数，介电系数或电容率，它是表示绝缘能力特性的一个系数，以字母ε表示，在工程应用中，介电常数时常在以相对介电常数的形式被表达，而不是绝对值。常见应用有计算阻抗和时延。   公式1                                          公式2       Df又称损耗因子、阻尼因子或内耗(internal dissipation)或损耗角正切(loss tangent)，是材料在交变力场作用下应变与应力周期相位差角的正切，也等于该材料的损耗模量与储能模量之比。通常损耗与DkDf关系密切，如下为损耗的近似计算公式。                                       公式3       玻璃化转变温度（Tg)       FR-4板的Tg值一般在130-140度，而在PCB制程中，有几个工序的问题会超过此范围，对制品的加工效果及最终状态会产生一定的影响。因此，提高Tg是提高FR-4耐热性的一个主要方法。其中一个重要手段就是提高固化体系的关联密度或在树脂配方中增加芳香基的含量。在一般FR-4树脂配方中，引入部分三官能团及多功能团的环氧树脂或是引入部分酚酫型环氧树脂，把Tg值提高到160-200度左右。如下图4为用DSC法测试的Tg值。 图4        热膨胀系数（CTE）       随着印制板精密化、多层化以及BGA,CSP等技术的发展，对覆铜板尺寸的稳定性提出了更高的要求。覆铜板的尺寸稳定性虽然和生产工艺有关，但主要还是取决于构成覆铜板的三种原材料：树脂、增强材料、铜箔。通常采取的方法是：       （1）对树脂进行改性，如改性环氧树脂；（2）降低树脂的含量比例,但这样会降低基板的电绝缘性能和化学性能；铜箔对覆铜板的尺寸稳定性影响比较小。        耐CAF性能       离子迁移（Conductive Anodic Filament 简称CAF），最先是由贝尔实验室的研究人员于1955年发现的，它是指金属离子在电场的作用下在非金属介质中发生的电迁移化学反应，从而在电路的阳极、阴极间形成一个导电通道而导致电路短路。随着电子工业的飞速发展，电子产品轻、薄、短、小化，PCB的孔间距和线间距就会变的越来越小，线路也越来越细密，这样一来PCB的耐离子迁移性能就变得越来越重视。CAF主要发生在如下图5所示四种情况。 图5        离子迁移对电子产品的危害        1）电子产品信号变差，性能下降，可靠性下降。        2）电子产品使用寿命缩短。        3）能耗提高。        4）绝缘破坏，可能出现短路而发生火灾安全问题。        环保要求 欧盟RoHS指令：     主要用于规范电子电气产品的材料及工艺标准，使之更加有利于人体健康及环境保护，该标准的目的在于消除电机电子产品中的铅(Pb)，镉(Cd)，汞(Hg)，六价铬(Cr6+)，多溴联苯(PBBs)和多溴联苯醚(PBDEs)共6项物质，并重点规定了铅的含量不能超过0.1%。     该标准已于2006年7月1日开始正式实施。  WEEE指令：     报废的电子电气设备指令 欧盟REACH法规-No SVHCs     是欧盟对进入其市场的所有化学品进行预防性管理的法规。已于2007年6月1日正式实施。     如下图6所示为常见环保要求的标志。 图6

比赛结束后，我找了一份兼职。公司里的老工程师得重病回家了――据说是肺上长了个窟窿，手术费要20万。这位年近70的老工程师竟然没有20万的积蓄。当时有一种很悲凉感觉－－人在命运面前显得那么渺小。后来和那位老工程师接触过几次，很惊讶，他并没有埋怨自己的不幸，而是急切的想把自己学到的一切教给别人……和那位老工程师在一起的时间加起来不到一天，不过从他那里我学到了很多东西。他是一个把自己对电子的痴迷进行到底的人，是一个真正活到老学到老的人，也是一个真正简单快乐的人。 他告诉我要做一个合格的电子工程师，只停留在对电路的理解是远远不够的，还要理解元件的制作工艺，不同厂商的同一型号元件甚至同一厂家不同批次之间的元件生产工艺之间微小的差异会导致元件之间的一些差异，这些差异可能对我们最终的产品性能影响很大……他还跟我强调高数和傅立叶变换的重要性。在后来我接触到的电子工程师中，很少有人能对时域和频域有一个清醒的认识，也很少有硬件工程师会用一张导纳圆图来辅助电路设计……这些真正精髓的跟理论贴近的东西被我们遗落着，而我们的工程师也许正乐津津的把大把的时间花在抄袭和反抄袭上，也许花半个小时去打磨掉芯片上的型号比花半个小时学习更容易让人有快感吧。 这份兼职持续了4个月时间。周五晚上放学后或周六早上乘汽车到廊坊上班，周日晚上回学校，中间除了学习课程就是泡图书馆……如果产品出现问题说不定哪天晚上就要坐车去公司。记得一次是3C认证产品的电流谐波指标不过关，下课就把我叫了过去。夜里在公司用软件仿真分析电路参数和电流谐波，也分析了其他一些厂家的电路，最终夜里三四点钟把各次电流谐波调好了。当时整个实验室里就我一个人，平时看三极管发热量都是直接用手去摸三极管散热片，电路里是一对三极管推挽工作，两个三极管散热片之间的电压是近300V(220V市电整流滤波)。那晚迷迷糊糊的做了一个很大胆也很有创意的“尝试”，我左手摸一个三极管散热片，右手摸一个三极管散热片……在我受到强烈刺激清醒过来后着实很后怕，不是因为被电到害怕，而是因为被电到而四周又没有人而感到害怕。 从那次后我便对3C有了一些了解，原来3C认证没有通过的话是会让公司的产品停产的；而公司里只要有一款产品通过了3C认证其他同类产品也算是通过了3C认证的，即使这款产品成本可能很高，根本不会投入市场。这就是为什么很多电脑电源里外壳上贴着3C认证图标，拆开里面却很多器件没有焊（后来我接触一些其他的测试，也有很多这种情况，你可以临时用一些手措施让测试能过，实际产品中可能根本就没有采取那些措施，还是不达标的）……     那份兼职让我感受到国内外电子的差距，也意识到要成为一个优秀的电子工程师还要有很长的路要走，同时也渐渐感觉到肩负的责任之重－－像日本的电子企业都早已跟国防紧密挂钩了，一方面大量的利用“奢侈品”从国外疯狂的收揽资金支持国防开销，另一方面也直接为他们的国防提供了必需的科技支持。如果我们的电子工程师还像现在一样“无知”的话，几十年后也许我们或者我们的后代又一次将被鱼肉。 之后我便又回到学校“充电”，除了准备考试就是疯狂的泡图书馆。大三下学期买了一套台湾一个公司16位单片机的开发板，当时那款单片机刚出来时间不长，但宣传的很夸张，借着一个大学计划和极低的价格在校园里风一样卷起来。从市面上买到一本配套的教材，因为是第一版，除了前言基本每一两页都能看到错误。因为当时主推PLCC封装，与之对应的同型号贴片封装的芯片数据手册上管脚号和管脚数都跟芯片对不上号……后来给外面公司做一个项目，“斗胆”用了这款单片机，惊奇的发现这款单片机还是有些脾气的，跑会儿停会儿，停的时候内部看门狗也不复位，看样子是内部时钟部分不稳定……后来干脆就没再用过这款单片机。现在想想，其实芯片停振的现象挺常见的，晶体的失效率还有芯片内部时钟失效的机率还是比较高的。   本系列目录： 永不停息的红舞步 一个电子工程师的心路历程1 永不停息的红舞步 一个电子工程师的心路历程2 永不停息的红舞步 一个电子工程师的心路历程3 永不停息的红舞步 一个电子工程师的心路历程4 永不停息的红舞步 一个电子工程师的心路历程5 永不停息的红舞步 一个电子工程师的心路历程6 永不停息的红舞步 一个电子工程师的心路历程7 永不停息的红舞步 一个电子工程师的心路历程8 永不停息的红舞步 一个电子工程师的心路历程9 永不停息的红舞步 一个电子工程师的心路历程10 永不停息的红舞步 一个电子工程师的心路历程11 永不停息的红舞步 一个电子工程师的心路历程12 永不停息的红舞步 一个电子工程师的心路历程13 永不停息的红舞步 一个电子工程师的心路历程14 永不停息的红舞步 一个电子工程师的心路历程15 永不停息的红舞步 一个电子工程师的心路历程16(完结篇)

    难得找到借口回家休息一下，学校网速太屁，电信移动这些破单位，只晓得自己捞油水，也不真真实实的犒劳下人民大众提高一下网速。 回归正题，本人是被学校拉着去参加第八届全国研究生设计大赛的，本来手头上就有两个项目，还有一篇EI文章要发，又来个坑爹的比赛。比赛规则上是说一个月时间交作品，类型主要是IC设计，其实就是说用FPGA咯。学校脱了半个月，六月中才给我们下这个比赛的要求，我从北京回来6月25号差不多才腾出时间和精力来做，7月9号就要上交作品。这搞的时间上就输了一大截，很多有基础的人不愿意比赛，要么毕业设计没做完，要么就是学车没时间。好吧，我还是用剩下将近两个星期的时间认真应付下。     先讲我做的东西吧，发泄的话后面再说。考虑到利用我以前调过的电路和设计方案，在短时间能马上用的，和老师讨论了下，决定做个全数字FM接收机，主要核心在信号处理上面。和普通的FM收音机不同的是，这只是借助FM，88~108Mhz这个频带信号，直接中频带通采样将两个以上频道的信号同时解出来功放声音。主要是验证软件无线电的设计方法，相当于中频信号只要进入FPGA就可以做任意的实时处理，比如在雷达中通过IQ信号获得回波的相位信息，从而可以获得目标多普勒速度信息，通信领域除了能同时处理多种调制方式的信号，还可以获得采样带宽内所有的信息，再加上一些滤波器就可以做到全通采样。下面介绍实物，并把时间附上。     6月25号开始画PCB，29号投出去（48小时加急）。板子7月4号到手。如下图。         将用到的芯片焊完，并将AD调通花了大概1,2天的时间。实物图如下。       剩下的工作就是代码了。有算法部分和接口部分。算法主要是将速率为80M的已调信号数字混频到基带IQ分量，然后两路同时滤波抽取到容易处理的速率上来，好做FM解调。然后再将解调出来的语音信号滤波抽取到和多功能语音芯片匹配的采样率上。这其中，最麻烦的肯定是抽取滤波器的结构设计。因为用的不是高端、大容量、信号处理FPGA（其实就是没他们有钱，理解），乘法资源有限只有16个DSP48。采用CIC加半带的结构做一个通道的资源都不够。因此，我采用的全是CIC加补偿的结构，之所以要补偿是因为5级CIC要抽取128倍，通带畸变严重。该结构还有个缺点就是截止频率不好控制。但是对这种信号强度比较强的广播信号还是可以的。算法设计的细节在答辩演讲PPT里面有全面的框图和图片，有兴趣的朋友可以下下来看看。方波和正弦波调制信号的解调波形通过chipscope抓出用256个窗口看到的波形如下。 （演讲PPT） http://bbs.eetop.cn/viewthread.php?tid=344461extra = 或者 全数字FM接收机.rar       解调完成后就是与音频接口速率匹配的问题了。我在调试的过程中是一步一步找方案的，并不是首先就订好这样的方案，个人认为实际操作中最难做到的是这一步。因为解调出来得到波形当时有点小激动，认为直接在解调前抽取到语音芯片速率上再解调就行了。事实根本不可行。比如说在94M上的FM信号，频偏75Khz，调制信号最小能到1mV。这样的信号直接抽取到音频39khz的速率上，解出来的调制信号肯定失真了。所以当时走了点小弯路，理解错误。幸好经过仔细分析，深刻理解了FM信号的性质后，才走出这个误区。所以，信号处理要发挥真正的作用，第一步是深刻理解待处理的信号。FM解调出来的速率是625khz，继续抽取16倍就是39khz，这就刚好和语音芯片UDA1341耦合上了。然而这个抽取同样不好用半带。因为FPGA里面不复用资源的话半带总是要花乘法器的。而低速率的CIC抽取特性明显降低。所以，这里的也不能直接用CIC抽取到39Khz上来，我才用的CIC加补偿做8倍抽取，最后高性能的FIR做2倍抽取。指标就看PPT。chipscope抓出来的语音调制信号波形如下图。       这时的速率就是39khz，最后只剩接口了。比赛那几天我是先把I2S接口调完再调算法。幸运的是，最后一天，也就是7月9号早上，连续通宵了3个晚上把算法调完。直接连上之前调好的接口模块，声音就出来了。其实有点运气，因为I2S和L3BUS接口我之前没有调过，比赛比的是时间，尤其是电子设计这样的比赛。有经验的老师都知道，成熟的东西，用过的最保险最可靠，凡是半路出家的东西调出来的机会都比较渺茫。下面是接口协议图，也就是UDA1341格式图。朋友们可以掂量掂量自己在1天的时间里面能不能弄出来。       到这里，我的作品算是介绍完了。7月10号早上把以前学弟弄的D类音频功率放大器加上，把声音功放出来就写文档和PPT，这又是艰难的几个通宵一直到比赛的当天7月14号没有好好睡一觉。好了。我现在要说说这比赛坑爹的地方，虽然是中国电子协会牵头的比赛，也吸引了全国所有的重点高校，但是比赛结果和学生（注意是学生）的水平让我有点失望。结果对我其实是比较满足的，得了个西南赛区一等奖（注：我们赛区有6个特等奖，只有特等奖才有机会参加到东大举行的总决赛，赛区一等奖直接是全国三等奖）。毕竟我的成本才500块钱左右，还包括七七八八的车费什么的。本来计划最高也就是这个奖，不然白忙活了2个星期。我的失望有这么几个地方。     第一： 重点高校拿出来的参赛作品，我不说全部吧，至少大多数都不可能是学生在比赛规定的一个月能做出来的。有的甚至是做了3,4年的国家项目或者公司项目。我要透露的是我前面一组的作品，直接说了吧，重庆某高校一个队伍直接拿整个团队（说是10个人）的4G项目下来，三个学生可以说什么都不懂，没有系统概念，还和评委摆起来了。这个现象不是一个两个，而是普遍。自己画了PCB的队伍不到三分之一。所以我认为这就是坑爹，砸钱的比赛。不是我不想搬，其实我也想啊，问题是做雷达的难不成还把整机搬下来演示一遍。那这样比下去就是比哪个学校钱多了。这就牵出来下一个失望了。     第二： 比赛太过于开放，嵌入式也来抽热闹，自动化也来，医疗也来。这就造成了平台的不一致。部分是基于FPGA的，部分是基于ARM的，甚至单片机的也有。这如何比，功能可以自定，像我这个作品，直接把射频前端取了功能上就是全的。也是因为太过开放，很多队伍就偷懒直接拿做好的硬件，而且是高速、高端、高价的硬件平台，这就叫低速、低端、低价的平台队伍望尘莫及啊。     第三： 过分强调创新导致电子设计比赛成展示台。创新固然重要，但是创新有大有小，过分强调创新的结果就是只看功能和应用，没有考虑到功能和应用看不到的创新点，也就算法的创新没有考察。我感受很深，答辩时专家没有一个问过我算法部分，只问我AD指标，大概的功能和用途。据我所知，网上有人贴除了日本FPGA大赛的获奖作品，同样也是全数字FM接收机，他们还只只做了解调，但他们没用用到IP核，有算法创新一样拿大奖。当然我有我的考虑，我的NCO不用IP核可以采用线性预测的方案，这我很早以前验证过，只需一个2阶矩阵运算，只需要两个乘法器和一个减法器，精度可以任意设定。其他的可以用现有方案。但是幸好我没有再花时间去弄这个东西，因为弄了也比不过他们说的功能不完整。     该说的都说完了，把一些照片贴出来有兴趣的朋友劲量留言说说感想，大家互相交流。这个板子我准备到网上卖给对FPGA有兴趣的初学者，因为我是过来人，我知道开发板真正有用的地方，尤其是对FPGA开发板，千万不能陷入单片机的开发模式。这个板子提供了我平时常用的接口，而且可以开发soc，并留有串口触摸屏接口。触摸功能我在microblaze里面已经实现了。不过有一点不好，就是成本相比有点高，因为有高速AD，毕竟这只是给我个人以后项目调试用的用的板子。同时，板子上还有工业485接口电路（千万别将485接口理解成一个芯片了）和4~20mA电流传输接口，分立元件，有80us光耦、Linear的串行DAC、以及电压电流转换电路。该接口电路是国外某著名公司用了几十年产品上的电路。以后有时间，我再改一改，把其他有用的电路加进来。而且把射频前端做好一起和大家分享经验，共同进步。 作品报告文档： FM全数字接收机成信雷达队_论坛版.doc 附录 D类音频功率放大器 结合矢量信号发生器联调 底板+信号处理多功能板 射频前端带通放大看到的FM频道信号（放大倍数不够） 射频前端实物图（没加屏蔽盒干扰大） 板子指示灯   参赛作品展板 荣誉证书

你渴求创新吗？试着去点亮它，按一下，转一转，扭一扭，弯曲一下，忙碌中会有灵感在闪亮，在这里，我们试着动手去发现，原来这些小的元器件可以像电子积木那样有趣。 离散的电子元件聚集在狭小的成品电路板上，而LittleBits正像是一座庞大的博物馆，馆藏着这些有趣的小玩意儿。 正如童年记忆中积木带给你的单纯快乐，无需太过复杂的工程结构就可以创造出各种各样建筑模式。LittleBits 家族的成员，都是些简单直观，而富有空间感的模块，但是组成了做工精良的电子产品。 随着产品中所应用的模块数量逐渐增加，LittleBits致力于将电子设计的平台从早先的专家的手中，转移到那些学生，设计师，艺术家，制作人的群体内。 接下来咱们就一睹为快吧       这个粉色的小东西是个很有趣的小制作，像一颗小巧跳动的心脏，可以取决于你对于板子上白色按键的调节，或快或慢的振动。   振动电机 这就像是你祖父母早前用的呼叫器里的发动机，略微激烈的震动尽管伴随着相当轻微的噪音。   红绿蓝LED 这是个小巧漂亮的可修改的LED,(或许需要个螺丝刀)通过扭动板子上的按钮，可以修改LED显示的颜色显示，试图展示更多的色彩。   小型压力传感器 这是一个有压力传感功能的小制作，将你的手指放在圆片之上，适当施加压力，你会看到在LED上颜色的或明或暗的变化。 如想更多了解这些有趣的小制作，请访问 http://littlebits.cc/。   欢迎大家留言评论～～

期待了几年的全国大学生电子设计大赛就要开始了。而我似乎有了一种想退出的非正常心理，怎么办呢？我可是从高开始就期待这一天的的来临啊！难道就这样消极下去？