具有阻抗控制的PCB设计技术

tqwang · 发表于 2008-11-14 11:54

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当前世界性的环境保护的需求，使得电子产品要具有省能源部小型化特的要求更加强烈。这也促使了数据、信息处理的电子产品，向高速、大容量化的深层次的推进。另一方面，个人需求的IT产品，也同样向着功能复合化、高性能化（高速化）、低消费电力化的方向进展。在电子产品的信号传送方式上，由并行传输方式向着连续方式发展。并且还开始出现了在电气传输中加入了光路传输的方式。电子元器件的高集成化、高频化的发展，使得具有高频性的印制电路板需求量在不断的增高。过去，印制电路板只起到了安装在它上面的电子部品之间的电气互连的功能。而现在，又提出了许多的新功能的要求，例如：整机产品的高速、大容量化要求PCB的信号传输的稳定化；要求PCB有防止EMI/EMC的相应对策；由于组件的MCM(Multi Chip Module)化、SiP(System in a Package)化的高密度安装以及电子部品的发热源的高度集中的问题等，都要求PCB具有更商的耐热性、散热性；基板的元器件内藏等产品形式的出现，出赋予PCB新的功能。从提高操作性、加工性及降低制造成本的观点上出发，IC封装所使用的基板，由陶瓷等无机类PCB材料，向着使用环氧树脂、聚酰亚胺树脂等有机类PCB基板材料方向的转化。
1.高频电子产品中具有控制特性阻抗性的PCB设计技术所涉及的方面。
具有高精度控制特性阻抗性的PCB制造，是整体把握的设计技术所保证。而这一系统的整体设计技术，主要包括了基板材料的介电特性、部品特性、设计方法、PCB制造特性、组装方法等的技术。正如图1所描述那样，高精度控制特性阻性的PCB有着三大方面（高精度层压技术、高精度电镀技术、高精度图形形成技术）的要素技术。
一般的高频性印制电路板基板材料的特性，包括着它的信号传播损失小（具有低介电常数性、低介质损耗因数性）、信号传输速度高、在介电特性方面受到频率、温度、湿度变化下而表现出的高稳定性等内容。选择高频性印制电路板基板材料，首先必须要考虑到它在高频电路PCB上的信号传播损失的特性。1GHZ以上领域内还会存在着由于“表皮效果”（又称为“肌肤效应”）问题，它造成的导体损失（见图2中式1）。还应该认识到，在基板材料上、在PCB制造上、在组装上由于存在着微小偏差（特别是在层间厚度、介电常数、导体厚度、导体宽度四个方面的偏差），就会造成基板材料的特性阻抗的不整合，出现反射、衰减量的增大。
2.有关基板材料的选择
制造高频性印制电路板，对基板材料的选择是十分重要的。在选择基板材料时，应该注意以下的四点原则。
（1）对影响介电特性关键项目的考虑
对绝缘基板材料介电体特性的考虑，首要的是要选择介质损失因数值小的基板材料。基板材料的树脂分子构造中具有极性结构部分，由于在高频条件下对频率条件下对频率信号会产生振动、热、杂波的变化，至使信号电压出现衰减。另外，要选择介民常数小的基板材料。介电常数与介电体损失、信号的传输速度、信号的波长的缩短率相关。基板材料的介电常数值高，波长的缩短率则大。例如，一般的环氧树脂-玻璃纤维布基覆铜板（通称FR-4）的介电常数（公称值）为“4.7”，为了简便计算让为“4.0”。 1GHZ的模拟信号的波长在空气中（空气的介电常数为1）为30mm，当传输路线为300mm长时，振幅次数为10个。采用FR-4基板材料的配线图形，由于它介电常数比空气的介电常大4倍，在同样长度（30mm）的传输路线情况下，振幅次数增加到20个。而在信号的振幅方面，由于反射、吸收的关系其信号衰减量要大于在空气中传输的衰减量。RF电路、天线电路多采用波长（λ）为λ/4的设计。由于存在着介电常数与波长的缩短率成正比的关系，使用这两种电路设计，对基板材料要求低的介电常数的设计。在过去用KHZ、MHZ频率电路设计的时代，曾经使用过高介电常数、低介质损失因数的陶瓷基板材料（它的介电常为10，介质损失因为0.0002）。在1GHZ传输频率下，信号波长在空气中为30mm，而采用FR-4基板材料的配线图形上的信号波长为15mm。λ/4的设计方式下，配线长度缩短为3.75mm。从印制电路板制造质量的精度上考虑，使用高介电常数的基板材料，若想得到所要求的高频性能是很困难的。因此，在1GHZ以上的电路要求的情况下，采用低介电常数的基板材料制造PCB是十分必要的。而使用有机树脂系基材，要比陶瓷基材更易实现基板材料的低介电常数、低介质损失因数化的要求。表1介绍了目前市场上具有代表性的有机树脂类的低介电常数性基板材料产品。
(2）在频率变化下的对介电体特性的考虑
目前一般所用的典型基板材料——FR-4覆铜板及具体代表性的低介电常数的基材料，在不同的频率条件下的介电常数和介质损失因数的变化情况。可以看出，低介电常的基板材料，在1GHZ以上在介电特性上是基本变化不大的。而在1MHZ –1GHZ频率范围内，它的介电特性测定值“混乱”——变化跳动较大。FR-4基板材料的介电常数在1MHZ时是4.7，在1GHZ时是4.3。随着频率条件的不同而略微有变化。并且从1MHZ到1GHZ的频率增高，它表现出略微下降的趋势。
（3）在环境变化下的对介质体特性的考虑
选择高频电路用的基板材料，还应该注意考察在高频元器件发热量大的情况下，以及在高温、高湿环境情况下，基板材料的介电特性的变化大小。一般要选择在上述环境变化下介电特性变化小的基板料。在高温、高湿环境情况下，一般的基板材料的ε和tanδ值是上升的。因此，根据所使用的环境中的温度、湿度的变化情况，去掌握基材料的介电特性能变化量，是十分重要的。
(4）在频率、温湿度变化下的对介电特性稳定性的评价
对基板材料介电特性在频率、温湿度变化下的稳定性的评价，首先要用这种基板材料制作出测试专用印制电路板。然后采用电路分析的手段，对S参数的进行测定（S21：减衰量、S11：反射量）。并检测其位相特性、VSWR、特性阻抗等。在检测中必须要注意考虑在检测中的影响度。这种检测中止差，对检测结果的准确性影响是至关重要的。
3.有关板材料组成结构的设计
3.1基板材料的介电特性的稳定化
为了实现高频电路下波长的缩短，要求基板材料具有稳定的介常数值。即从微观角度上讲，介电常数值达到均匀一致。对于有玻纤布增强的基板材料来讲，实现这一特性的重要途径，是基板材料的构成要100％的采用经开纤处理过的玻璃纤维布。从而达到基板材料组成中的玻璃纤维布与树脂分布的均一化。玻璃纤维布的开纤处理，是采用高压射水的方法对玻璃纤维布进行再加工的一种处理。末经开纤处理的玻纤经纬纱交织点凸起，四周孔隙明显。而利用高压水对玻纤布的经纬纱露在布面的部分进行“喷水针刺法”开纤处理的玻纤布，其经纬纱中的纤维开松，均匀散开而呈为扁平状。它的经纬纱交织点的凸起得减缓。它的纤维分散开来，填充了交织点周围的孔隙，这样起到了有利于在基板材料各个部位的树脂均匀一致分布的效果。大多的板材料，其树脂的重量比在35-65％范围。以FR-4为例的基板材料中不同树脂量与不同频率的介电特性对应关系。从图8中可恶看出：当树脂量越高越接近树脂本身的介电常数值，整个基板材料的介电常数表现越低。当树脂量越小，整个基板材料的介质损失因数值就越接近玻璃纤维布的介质损失因数值，即介质损失因数值表现出越小。可以从理论上计算出在不同树脂与玻璃纤维布含量的比例时，整个基板材料的介电常数值。
3.2基板材料的树脂量对其他性能的影响
   基板材料的树脂量不但对介电特性有很大的影响，而且对基板材料的玻璃化温度（Tg）、板的厚度方向（Z方向）和面方向（X、Y方向）的热膨胀系数（即尺寸稳定生）也有着重要影响。当树脂量小时，板的Tg高，热膨胀系数小。在高温条件下，所使用的树脂由于一般会产生水分解反应，使得它的绝缘电阻下降，造成基板材料的绝缘性恶化。当树脂量越大，这种变化特性就越明显。而板的热膨胀系数大小，直接关朕到印制电路板的通孔可靠性、焊接可靠性的好坏。
3.3基板材料热膨胀系数与玻璃纤维布、树脂的关系
   使用玻璃纤维布作为增强的基板材料，它的X、Y方向的热膨胀系数，主要与玻璃纤维布制造方法（单丝直径、玻璃纱的线密度、织物密度等）有很大的依存关系。而基板材料的厚度方向的热膨系数的大小，主要与树膨胀系数有着依存的关系。在这一类基板材料的构成中添加了填充材料，会由于降低树脂量而在基板材料的热膨胀量方面得到了抑制。
3.4基板材料的填充材料对基板材料的性能提高所起到的效果
一些无卤化基板材料、适于激光钻孔的基板材料，一般要在基板材料树脂中混入无机填充材料。在达到板的规定厚度情况下，由于填充材料的入，使用树脂量比例有所减少。这样在板Tg上会得到提高。在X、Y、Z方向上热膨胀量方面会有所减低。由于所加入的填充材料都具有高介电常数、低介质损失因数特性，这样造成在树脂中加入填充材料板的电常数升高。而在介质损失因数方面有所降低。
4.有关铜箔
   在刚性印制电路板制造中多使用电解铜箔。基板材料中的树脂与铜箔间的剥离强度，与铜箔的粗化面的表面处理轮廓度大小相关。一般讲，处理面的处理层轮廓大的铜箔，它的剥离强度就高。在存在高频信号的印制电路板场合，由于有“表皮效果”的影响，只有导电线路的表面才有信号的流通，这样，当铜箔处理面处理层的轮廓大，就在反射、衰减量在的表现。这会引起信号传问输损失加大。因此，在减低粗化面处理层的轮廓度，是高频电路用基板所期望的。目前对轮廓为4μm以下的铜箔，称之为低轮廓铜箔（简称为VLP铜箔）。在高频电路中，使用具有低轮廓并且是极薄箔，已经成为一种发展的潮流。由于压延铜箔是具有低轮廓的特性，使用目前正在积极开发具有较高剥离强度性能的压延铜箔品种。高频电路基板，不仅需要铜箔的厚度方向降低其尺寸分散问题，而且还期望铜箔低面（靠基材树脂的面）的宽幅的尺寸精度也有所提高。低轮廓铜箔易于实现上述两项对铜箔的性能要求。并且，采用低轮廓铜箔，还由于它在蚀刻电路图形的加工后，在基板上铜粉的残留甚少（或者是没有），因此可带来PCB的耐电压性、长期电气绝缘性提高的效果。
5.关于PCB制造中图形尺寸精度的控制
印制电路板制造中对特性阻抗精度的控制，存在着六个方面（包括十个参数）的构成要素。它们包括：①绝缘层厚度（即PCB层间厚度）（h）及其厚度精度（△h）；②导体宽度（w）及其宽度精度（△w）；③蚀刻因子（ef）；④导体厚度（t）及其厚度精度（△t）；⑤介电常数值（ε）及其精度（△ε）；⑥阻焊剂膜厚度（mh）。这些要素，对于控制PCB的特性阻抗大小及其精度有着直接的影响，并左右着印制电路板的高频特性的实现情况。在上述的特性阻抗的构成要素中，介电常数值的精度与基板材料（半固化片）的树脂含量的均匀程度密切相关。而导线的蚀刻因子、导体宽度精度要素都与铜箔的处理面轮廓度大小直接相关联。
  半固化片树脂含量的技术指标，是各个基板材料生产厂根据用户厂（印制电路板生产厂）实际成型加工工艺的不同及生产水平的能力而制定的。由于树脂量的不同，使得在半固化片的熔融粘度上有所差导及在层压工艺上也就存在着不同。这些会带来PCB在绝缘层厚度及其精度上有所差别（见表2中的对比）。因此，采用不同厂家、不同树脂量指标的半固化片材料所生产的多层板，在它的介电特性，特别是介电常数值上，表现出其高低及精度的不同。可以看出，若想要提高PCB的特性高精度控制，基板材料生产厂在生产半固化片的树脂量的指标控制方面，必须要与印制电路板生产厂家达到很好的配合。

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