PCB叠层及板材特性对于射频设计的影响因素
箭穿万里 2023-03-07

前面介绍了一些案例,案例中一直强调50Ω阻抗的问题。

那么我们如何管控影响阻抗的因素呢?

Layout射频走线(图一中绿色线条)的叠层阻抗设置也是一个关键因素。

在layout的过程中,我们可以控制走线宽度,叠层结构,叠层厚度。然而影响阻抗的因素有很多,比如PCB打板的材质性能参数,蚀刻精度等等,在下面进行介绍。

影响阻抗的因素:

一.走线宽度(我们自己可以决定的)

二.叠层结构(信号线走那一层,参考地是哪一层,理论上这个也是我们可以决定的。

三.PCB材质特性(我们无法决定的,只能根据PCB厂商提供的数据来决定选取范围)

针对一,二两个因素:

1.走线宽度,前面的文章有讲过,限于PCB制程工艺精准度及板材特性的问题,大概取值范围是:6~15mil(小信号)。

2.参考层,我们用第二层(对于射频来说,如无特殊情况,建议选取第二层---参考寄生电容,电感及插损的因素)。

我们来看看宽度W和叠层厚度的关系(用SI9000软件,软件的用法,我后面再写一篇)

H1----外层到次外层之间的介质厚度。

Er1----介质层介电常数。这里是PP的介电常数。

W1----阻抗线下线宽。成品线宽,也就是我们的画图设计走线宽度。

W2----阻抗线上线宽。走线顶端宽度,表示侧蚀的意思,外层成品1oz的铜厚一般按1mil的侧蚀量计算。

T1----阻抗线铜厚或成品铜厚=基板铜厚+电镀铜厚。

C1----基材阻焊厚度。走线间的基材上的阻焊厚度,注意走线间隙一般比较小,容易产生沟壑效果,这里的阻焊厚度稍微厚一点。

C2----线面阻焊厚度(后加工)

CEr1----阻焊介电常数。

Zo----需要的阻抗值。

从图二上,我们可以看到,线宽和介质参数在其他参数不变的情况下,是保持着线性关系的,故此,线宽W1选定后,H1也基本上保持了固定参数。同理,线宽和其他参数也有相应的线性关系,只不过斜率大小的问题。到这里,我们就需要讲一下实际的PCB的叠层架构了,以4层板为例(如图三)。

PCB的叠层是偶数,并且各层的厚度都是上下镜像对称的

一个最简单的4层PCB结构为例,它使用一个芯板(CORE),两个半固化片(Prepreg)压在一起组成。

Core的两个表面都铺有铜箔,用作导电层,两个表层之间填充以固态材料,其由增强材料玻璃纤维浸以固态树脂组成。

铜箔的厚度即为T1,通用的有0.5盎司(0.6mil),1盎司(1.2~1.4mil),2盎司(2.7mil),我们出gerber给PCB板厂的时候,通常说多少盎司,很少说mil单位(如图四)

芯板(CORE)是一个基本单元,可以把它理解为上下表面都附铜的PP  ,PP的表面没有铜箔,其由半固态树脂和玻璃纤维组成,构成所谓的浸润层,H1就是PP的厚度

在PCB中主要起填充作用,用以粘合芯板Core。不同厚度的CORE之间通过PP层压合在一起,形成了copper-pp-core-pp-copper的镜像对称结构

H1的厚度,板厂是有自己的一套系列的,为成本考虑,建议根据板厂现有的厚度选取,如果不用考虑的价格的话(可能是天价,我也没定制过,哈哈),自己定义也可以。

从图二上,我们看到,除了H1,W1外还有Er1,W2,T1,C1,C2,Cer几个参数( Er1 ,Cer 也称DK---介电常数)。

T1基本上没有太多选择。从表一,表二(列举了部分),可以看出其他参数还是有不同的参数选择的。

Er1,C1,C2,Cer这些参数,我们在出Gerber给板厂的前,最好和板厂确认一下他们的参数。

W2就涉及到PCB板厂的蚀刻工艺了,这个也需要确认

选取W1=7, H1=4.3098(图二中的数据,其阻抗是50.0097 Ω)我们用上面表一,二的一组参数看一下计算的阻抗是多少。

计算结果:50.51Ω,相差不大


以四层板为例。

现在我们Top层和第二层(GND)确定了。同理,第三层,我们可以给电源线或其他低速信号使用,根据阻抗需求进行设定。第四层一般是和第一层相同的设计,当然啦,如果第四层有其他走线,比如100Ω差分线,90Ω USB线,则需要重新计算线宽和铜厚。

至此4层板参数设定结束。

但是,要说个但是!

大多数PCB板厂,对于多层板不接受指定的层压结构:

比如四层板层压结构如下:所要的成品板厚-0.4=内层的板厚

1.6mm层压结构则是:0.2mm(层压的pp片厚度)+1.2mm(双面芯板)+0.2mm(层压的pp片厚)

FHK=0.8mm(板厚)四层板内层是0.4mm的芯板(双面覆铜板)另外两边各是0.2左右

1.0mm层压结构则是 0.2mm(层压的pp片厚度)+ 0.6mm(双面板)+0.2mm(层压的pp片厚度)

1.2mm=0.2mmPP与铜箔+0.8mm双面芯板+0.2mmPP与铜箔



所以,某些时候50Ω阻抗可能满足不了,再加上寄生电容,电感的问题,我们一定要在RF走线上预留匹配网络电路

汪二:你这个阻抗计算,怎么不说频率?不说频率的阻抗、衰减都是耍流氓

我:汪二,吃我一招无敌风火轮!

汪二:啊啊啊啊啊~~~~

好了,现在没有捣蛋鬼了。

汪老二虽然很讨厌,但是话糙理不糙哈,下面介绍一下和频率有关系的参数。

1.导电系数TC:常用的铜是5.8×10e7,导电性能越好,损耗越小(相同频率下),可以用导电率来理解

2.损耗系数 TanD (也称DF):影响到信号传输的品质,值越小,信号的传播损耗越小;值越大,信号的传播损耗越大,所以高速、高频率板最好选择DF值小的板材

①Standard Loss (0.015-0.020)

②Mid Loss(0.010-0.015)

③Low Loss(0.0065-0.01)

④Very Low Loss(0.003-0.0065)

⑤Ultra Low Loss(<0.003)。




3.导线长度:导线越长,损耗越大

这里面也是有公式的,鉴于我的大脑反馈数据,不予补充,哈哈,网上还是有不少的,大家可以搜索一下。从图六,可以看出在不同频率同一组系数下,插损,幅频响应是不一样的。然并卵的是:这些系数我们没法控制



除了上面的一些主要参数会影响射频性能,还有一些其他参数会影响使用过程中的性能跳变及使用寿命


从图七中,我们看到一个参数TG。

TG(玻璃化温度):我们知道FR4是玻璃纤维环氧树脂材料,当温度升高到某一区域时,基板将由“玻璃态”转变为“橡胶态”,此时的温度点称为该板的玻璃化温度(Tg)。Tg是基材保持“刚性”的最高温度(℃)。也就是说普通PCB基板材料在高温下,不但产生软化、变形、熔融等现象,同时还表现在机械、电气特性的急剧下降。TG值越高,板材的耐温度性能越好,耐化学性、耐稳定性也相应提高了。板层越多,越要选高TG材质

1.一般Tg的板材:130℃~150℃

2.中等Tg的板材:150℃~170℃

3.高等Tg的板材:170℃及以上


还有CTI(耐漏电起痕指数,TD热分解温度及CTE(Z-axis)指数重要参数,常规消费级别的射频产品,不用考虑太多,用FR-4即可,但是高精度,严苛的应用场景是需要考虑这些因素的,比如月球车,你要所有因素都要考虑。


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