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PCB板材选取与高频PCB制板

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PCB板材选取与高频PCB制板工艺要求(V2)详细讲解教
作者:韩国七星赌场    发布时间:2021-02-21 21:58    点击次数:次   

  如商用无线通信要求使用低成本的板材、稳定的介电常数(r变化误差在1-2%间)、低的介电损耗(0.005以下)。具体到手机的PCB板材,还需要有多层层压、PCB加工工艺简易、成品板可靠性高、体积小、集成度高、成本低等特点。为了挑战日益激烈的市场竞争,电子工程师必须在材料性能、成本、加工工艺难易及成品板的可靠性间采取折衷。

  目前可供选用的板材很多,有代表性的常用板材有:环氧树脂玻璃布层压板FR4、多脂氟乙烯PTFE、聚四氟乙烯玻璃布F4、改性环氧树脂FR4等。特殊板材如:卫星微波收发电路用到蓝宝石基材和陶瓷基材;微波电路基材GX系列、RO3000系列、RO4000系列、TL系列、TP-1/2系列、F4B-1/2系列。它们使用的场合不同,如FR4用于1GHz以下混合信号电路、多脂氟乙烯PTFE多用于多层高频电路板、聚四氟乙烯玻璃布纤维F4用于微波电路双面板、改性环氧树脂FR4用于家用电器高频头(500MHz以下)。由于FR4板材易加工、成本低、便于层压,所以得到广泛应用。

  板材的性能指标包括有介电常数r、损耗因子(介质损耗角正切)tg、表面光洁度、表面导体导电率、抗剥强度、热涨系数、抗弯强度等。其中介电常数r、损耗因子是主要参数。

  高速数据信号或高频信号传输常用到微带线(Microstrip Line),由附着在介质基片两边的导带和导体接地板构成,且导带一部分暴露在空气中,信号在介质基片和空气这两种介质中传播引起传输相速不等会产生辐射分量、如果合理选用微带尺寸这种分量很小。

  其中e叫有效介电常数,是把两种介质对微带特性阻抗的贡献等效为一种假想的均匀介质。

  图二说明了Z0和W/d、r间的关系,W/d愈大Z0愈低、r愈大Z0愈低。

  图二 Z0和W/d、r间的关系以汕头超声印制板厂提供的板厚1.68mm(顶层厚0.3mm)的FR4/S1139为例,给出50欧姆/75欧姆微带传输线线宽参数,见表一。

  c为实际在自由空间中传播波长。由此可见e越高波长减短,信号在传输线中的相速降低。由相速和传输线长可得传播时延t=Vp*L。

  微带传输线在介质基片和空气两种媒质中传输,带状线在同一媒质中传输,有边缘电容。其传输特性阻抗、损耗、传播波长与介质材料的关系同微带传输线相似,与W/b,t/b有关,与微带传输线不同的是t对传输特性阻抗的影响较大。图三为带状线mm厚、八层PCB板、FR4 板材的PCB单板,其50欧姆/75欧姆带状输线线宽参数见表二。

  由上所述,板材对PCB设计和加工影响最大的参数主要是介电常数和损耗因子。对于多层板设计,板材选取还需考虑加工冲孔、层压性能。下面是FR4/PTFE/F4/S1139/RO4350等几种板材的参数说明。

  (3)工作在622Mb/s以上的光纤通信产品和1G以上3GHz以下的小信号微波收发信机,可以选用改性环氧树脂材料如S1139,由于其介电常数在10GHz时比较稳定、成本较低、多层压制板工艺与FR4相同。如622Mb/s数据复用分路、时钟提取、小信号放大、光收发信机等处建议采用此类板材,以便于制作多层板且板材成本略高于FR4(高4分/cm2左右),缺点是基材厚度没有FR4品种齐全。或者,采用RO4000系列如RO4350,但目前国内一般用的是RO4350双面板。缺点是:这两种板材不同板厚品种数量不齐全,由于板厚尺寸要求,不便于制作多层印制板。如RO4350,板材厂家生产的规格有10mil/20mil/30mil/60mil等四种板厚,而目前国内进口品种更少,因此限制了层压板设计。

  典型射频/数字多层板结构,基于RO4350板材的层压板,其可能的带状线和微带传输线、高频板PCB工艺

  根据以上对传输线特性介绍,进一步可以从线宽、过孔、线间串扰、屏蔽等四个方面说明高频PCB设计需要注意的细节地方。

  当入出阻抗以及传输线阻抗匹配时,系统输出功率最大(信号总功率最小),入出反射最小。对于微波电路,阻抗匹配设计还需要考虑器件的工作点。信号线过孔会引 起阻抗传输特性变化,TTL、CMOS逻辑信号线特性阻抗高,这种影响不计。但在50欧姆等低阻抗、高频电路这种影响需要考虑。一般要求信号线)传输线线间串扰

  当两根平行微带线间距很小时产生偶合,引起彼此线间串扰并且影响传输线欧姆高频电路尤其需要注意,并在电路设计上采取措施。实际电路设计中还用到这种偶合特性,如手机发射功率测量和功率控制就是一例。下面的分析对高频电路和ECL高速数据(时钟)线有效,对微小信号电路(如精密运算放大电路)有参考价值。

  无论IC器件管脚接地还是其它阻容器件接地,在高频电路中都要求接地过孔尽可能地靠近管脚,其理论依据是:高频信号接地线通路以理想传输线终端接地等效,其驻波状态如图八所示。

  由于接地线很短,接地传输线相当于一个感性阻抗(n-pH量级),同时接地过孔也近似相当于一个感性阻抗,这影响了对高频信号滤波功效。这是接地过孔尽可能地靠近管脚的原因。为了减小传输线感性负载,微波电路要求接地管脚的过孔多于一个,相当于在低频电路中增加接地面电流能力,保证各接地点均为等0电平。

  了电源管脚加滤波电容外,还需要串联电感的抑制高频干扰。串联电感的选取与工作频率有关。依据是如果电源脚过滤1M以上的高频干扰,其中C=0.1uF,则选取L=1uH电感。在外加电源的集电极开路信号管脚加电感时请慎重,因为此时的电感相当于一个匹配用的电感。

  在微小信号和高频信号的PCB设计中需采取屏蔽措施以减少大信号(如逻辑电平)干扰或减少高频信号的电磁辐射。如:

  A、数字、模拟低频(小于30MHz)小信号PCB设计中,除了在数字地和模拟地分割外,还需对小信号布线区铺地,地与信号线间隔大于线宽。

  多层PCB布板(诺基亚6110),双面放器件,手机PCB设计如图十所示。

  其中,功率放大器采用PTFE板材,双面PCB板;射频收发信机采用PTFE板材,四层PCB板。都是采用大面积铺地,功能模块屏蔽罩隔离措施。

  采用FR4板材,四层PCB板。大面积铺地,功能模块隔离带用一串过孔隔离。

  采用RO4350板材,双面PCB板。大面积铺地,间距约束大于等于50欧姆线宽,用金属盒屏蔽,电源入端滤波。

  无线领域的器件涉及广泛,应用较为复杂,尤其是当前无线通信市场竞争激烈,产品的价格和面市时间越来越成为竞争焦点。因此,电子工程师的PCB设计不能单纯考虑技术的先进性,必须从多方面折中考虑,平衡技术先进性、价格优势和缩短产品上市时间等关键因素,提高产品的竞争力。


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