高頻佈線工藝和PCB板選材國家數位交換系統工程技術研究中心張建慧饒龍記[鄭州1001信箱787號]摘要：本文通過對微帶傳輸特性、常用板材性能參數進行比較分析，給出用於無線通信類比前端、高速數位信號等應用中PCB板材選取方案，進一步從線寬、過孔、線間串擾、遮罩等方面總結高頻板PCB設計要點。

關鍵字：PCB板材、PCB設計、無線通信、高頻信號近年來在無線通信、光纖通信、高速資料網路產品不斷推出，資訊處理高速化、無線模擬前端模組化，這些對數位信號處理技術、IC工藝、微波PCB設計提出新的要求，另外對PCB板材和PCB工藝提出了更高要求。

變化誤差在如商用無線通信要求使用低成本的板材、穩定的介電常數（εr±1-2％間）、低的介電損耗（0.005以下）。

具體到手機的PCB板材，還需要有多層層壓、PCB加工工藝簡易、成品板可靠性高、體積小、集成度高、成本低等特點。

為了挑戰日益激烈的市場競爭，電子工程師必須在材料性能、成本、加工工藝難易及成品板的可靠性間採取折衷。

目前可供選用的板材很多，有代表性的常用板材有：環氧樹脂玻璃布層壓板FR4、多脂氟乙烯PTFE、聚四氟乙烯玻璃布F4、改性環氧樹脂FR4等。

特殊板材如：衛星微波收發電路用到藍寶石基材和陶瓷基材；微波電路基材GX系列、B-1/2系列。

它們使用的RO3000系列、RO4000系列、TL系列、TP-1/2系列、F4場合不同，如FR4用於1GHz以下混合信號電路、多脂氟乙烯PTFE多用於多層高頻電路板、聚四氟乙烯玻璃布纖維F4用於微波電路雙面板、改性環氧樹脂FR4用於家用電器高頻頭（500MHz以下）。

由於FR4板材易加工、成本低、便於層壓，所以得到廣泛應用。

下面我們從微帶傳輸線特性、多層板層壓工藝、板材參數性能比較等多個方面分析，給出了對於特殊應用的PCB板材選取方案，總結了高頻信號PCB設計要點，供廣大電子工程師參考。

1微帶傳輸線傳輸特性板材的性能指標包括有介電常數ε、損耗因數（介質損耗角正切）tgδ、表r面光潔度、表面導體導電率、抗剝強度、熱漲係數、抗彎強度等。

其中介電常數、損耗因數是主要參數。

εr高速資料信號或高頻信號傳輸常用到微帶線（Microstrip Line），由附著在介質基片兩邊的導帶和導體接地板構成，且導帶一部分暴露在空氣中，信號在介質基片和空氣這兩種介質中傳播引起傳輸相速不等Array會產生輻射分量、如果合理選用微帶尺寸這種分量很小。

如圖一基片結構所示，銅皮厚t 一般很小，在0.5OZ （17μm 、0.7mil ）到1 OZ （35μm 、1.35mil ），導帶特性有基片介電常數εr 、線寬W 、板厚d 決定。

（1）微帶傳輸線特性阻抗微帶傳輸線的特性阻抗Z 0計算如下：當w/d ≤1，微帶傳輸線的特性阻抗Z 0表示為：當 w/d ≥1，微帶傳輸線的特性阻抗Z 0表示為：其中εe 叫有效介電常數，是把兩種介質對微帶特性阻抗的貢獻等效為一種假想的均勻介質。

圖二說明了Z 0和W/d 、εr 間的關係，W/d 愈大Z 0愈低、εr 愈大Z 0愈低。

⎪⎭⎫ ⎝⎛+d w w de 48ln 60επ⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛+*++444.1ln 667.0393.1100d w dw e επwdr r 12112121e +*-++=εεε传输线特性阻抗与W/d501001502000.10.20.30.50.81234W/d特性阻抗圖 二 Z 0和W/d 、εr 間的關係以汕頭超聲印製板廠提供的板厚1.68mm(頂層厚0.3mm)的FR4/S1139為例，表一 50歐姆/75歐姆微帶傳輸線線寬參數同樣在六層板和八層板微帶傳輸線設計中如果已知微帶線的介質厚度d ，根據W/d 值可以計算出微帶傳輸線線寬W 。

（2）微帶傳輸線損耗微帶傳輸線損耗由三個因素決定：半開放性引起的輻射（這種損耗很小）；介質熱損耗αd （板材原因）；高頻趨膚效應引起的導體損耗αc 。

導體損耗是主要的，導體損耗αc 與W/h （h 為基片厚度）成反比，也與光潔度有關。

當W/h 一定，介質損耗與損耗因數和頻率成正比。

（3）微帶色散特性當頻率高到微帶尺寸相對λ/4或λ/2足夠大時，將出現嚴重色散特性還增加了輻射損耗。

如果固定在某個頻率，在此頻率下色散效應可不考慮。

阻抗越低、基片越厚、εr 越高，微帶色散越嚴重，或板材確定後，頻率愈高色散愈嚴重。

（4）信號在介質中的傳輸波長和相速λc 為實際在自由空間中傳播波長。

由此可見εe 越高波長減短，信號在傳輸線中的相速降低。

由相速和傳輸線長可得傳播時延t=V p *L 。

2 帶狀線傳輸特性微帶傳輸線在介質基片和空氣兩種媒質中傳輸，帶狀線在同一媒質中傳輸，相似，與W/b,t/b 有關，與微帶傳輸線不同的是t 對傳輸特性阻抗的影響較大。

圖三為帶狀線傳輸示意。

1.6mm厚、八層PCB 板、FR4 板材的PCB 單板，其50歐姆/75歐姆帶狀輸線線寬參數見表二。

ec c ελλ/'=ec c p f f v ελλ/00'*=*=圖三帶狀線傳輸特性示意表二 50歐姆/75歐姆帶狀線傳輸線線寬參數3 PCB板層壓工藝及分層要求PCB板多層層壓板總厚度和層數等參數受到板材特性限制。

特殊板材一般可提供的不同厚度的板材品種有限，因而設計者在PCB設計過程中必須靠慮板材特性參數、PCB加工工藝的限制。

FR4板材有各種厚度，適用於多層層壓的板材品種齊全，表四以FR4板材為例給出一種多層板層壓結構和板材厚度分配參數，以供PCB設計工程師參考。

表三 FR4層壓板結構參數六層板、完成板厚度為1.6mm，其層壓結構如圖四所示。

圖四六層板層壓結構4 常用板材性能參數比較由上所述，板材對PCB設計和加工影響最大的參數主要是介電常數和損耗因數。

對於多層板設計，板材選取還需考慮加工沖孔、層壓性能。

下面是表三板材主要參數性能比較由以上傳輸線特性阻抗、損耗、傳播波長分析和板材比較，產品設計須考慮成本，市場因素。

因此建議在PCB設計中，設計者選取板材考慮如下關鍵因素：（1）信號工作頻率不同對板材要求不同。

（2）工作在1GHz 以下的PCB 可以選用FR4，成本低、多層壓制板工藝成熟。

如信號入出阻抗較低（50歐姆），在佈線時需要嚴格考慮傳輸線特性阻抗和線間耦合，缺點是不同廠家以及不同批生產的FR4板材摻雜不同,介電常數不同（4.2-5.4）且不穩定。

（3）工作在622Mb/s 以上的光纖通信產品和1G 以上3GHz 以下的小信號微波收發信機，可以選用改性環氧樹脂材料如S1139，由於其介電常數在10GHz 時比較穩定、成本較低、多層壓制板工藝與FR4相同。

如622Mb/s 資料複用分路、時鐘提取、小信號放大、光收發信機等處建議採用此類板材，以便於製作多層板且板材成本略高於FR4（高4分/cm 2左右），缺點是基材厚度沒有FR4品種齊全。

或者，採用RO4000系列如RO4350，但目前國內一般用的是RO4350雙面板。

缺點是：這兩種板材不同板厚品種數量不齊全，由於板厚尺寸要求，不便於製作多層印製板。

如RO4350，板材廠家生產的規格有10mil/20mil/30mil/60mil 等四種板厚，而目前國內進口品種更少，因此限制了層壓板設計。

（4）3GHz 以下的大信號微波電路如功率放大器和低雜訊放大器建議選用類似RO4350的雙面板材，RO4350介電常數相當穩定、損耗因數較低、耐熱特性好、加工工藝與FR4相當。

其板材成本略高於FR4（高6分/cm 2左右）。

（5）10GHz 以上的微波電路如功率放大器、低雜訊放大器、上下變頻器等對板材要求更高，建議採用性能相當於F4的雙面板材。

（6）無線手機多層板PCB 板材要求板材介電常數穩定度、損耗因數較低、成本較低、介質遮罩要求高，建議選用性能類似PTFE （美國/歐洲等多用）的板材，或FR4和高頻板組合粘接組成低成本、高性能層壓板。

圖五 典型射頻/數位多層板結構典型射頻/數位多層板結構，基於RO4350板材的層壓板，其可能的帶狀線和微帶傳輸線結構見圖五。

5高頻板PCB 工藝 根據以上對傳輸線特性介紹，進一步可以從線寬、過孔、線間串擾、遮罩等四個方面說明高頻PCB 設計需要注意的細節地方。

（1）傳輸線線寬傳輸線線寬設計基於阻抗匹配理論。

當入出阻抗以及傳輸線阻抗匹配時，系統輸出功率最大（信號總功率最小），入出反射最小。

對於微波電路，阻抗匹配設計還需要考慮器件的工作點。

信號線過孔會引 起阻抗傳輸特性變化，TTL 、CMOS 邏輯信號線特性阻抗高，這種影響不計。

但在50歐姆等低阻抗、高頻電路這種影響需要考慮。

一般要求信號線沒有過孔。

（2）傳輸線線間串擾當兩根平行微帶線間距很小時產生偶合，引起彼此線間串擾並且影響傳輸線特性阻抗。

對於50歐姆和75歐姆高頻電路尤其需要注意，並在電路設計上採取措施。

實際電路設計中還用到這種偶合特性，如手機發射功率測量和功率控制就是一例。

下面的分析對高頻電路和ECL 高速資料（時鐘）線有效，對微小信號電路（如精密運算放大電路）有參考價值。

設線間偶合度為C ，C 的大小與εr 、W/d 、S 、平行線長L 有關。

間距S 愈小，偶合愈強；L 愈長、偶合愈強。

為了增加感性認識，舉例：利用這種特性做成的50歐姆定向偶合器。

如 1.97GHz PCS 頻端基站功率放大器,其中d=30 mil 、 εr =3.48：10dB 定向偶合器PCB 尺寸：S=5mil,l=920mil,W=53mil 20dB 定向偶合器PCB 尺寸：S=35mil,l=920mil,W=62mil 為了減小信號線間串擾，建議A 、高頻或高速資料平行信號線間距離S 是線寬的一倍以上。

B 、儘量減少信號線間平行的長度。

C 、高頻小信號、微弱信號避開電源和邏輯信號線等強干擾源。

（3）接地過孔電磁分析。

無論IC 器件管腳接地還是其他阻容器件接地，在高頻電路中都要求接地過孔盡可能地靠近管腳，其理論依據是：高頻信號接地線通路以理想傳輸線終端接地等效，其駐波狀態如圖八所示。

圖八 駐波狀態圖由於接地線很短，接地傳輸線相當於一個感性阻抗（n-pH 量級），同時接地過孔也近似相當於一個感性阻抗，這影響了對高頻信號濾波功效。

這是接地過孔盡可能地靠近管腳的原因。

為了減小傳輸線感性負載，微波電路要求接地管腳的過孔多於一個，相當於在低頻電路中增加接地面電流能力，保證各接地點均為等0電平。

（4）電源濾波。

TTL 、CMOS 電路為了減少信號邏輯對電源的影響（過沖），在靠近電源管腳處加濾波電容。

但在高頻、微波電路中僅僅採取這種措施還不夠。

下面以製造工藝為例說明高頻信號對電源的干擾。

圖九 高頻信號對電源產生高頻干擾的方式這兩種方式的高頻信號均對電源產生高頻干擾，並影響其他功能電路。