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PCB高频板 |
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如何选择高频高速板材
选择PCB板材在满足设计需求、可量产性、成本中间取得平衡点。简单而言,设计需求包含电气和结构可靠性这两部分。通常在设计非常高速的PCB板子(大于GHz的频率)时这板材问题会比较重要。例如,现在常用的FR-4材质,在几个GHz的频率时的介质损Df(Dielectricloss)会很大,可能就不适用。
举例来说,10Gb/S高速数字信号是方波,它可以看作是不同频率的正弦波信号的叠加。因此10Gb/S包含许多不同频率信号:5Ghz的基波信号、3阶15GHz、5阶25GHz、7阶35GHz信号等。保持数字信号的完整性以及上下沿的陡峭程度和射频微波(数字信号的高频谐波部分达到了微波频段)的低损耗低失真传输一样。因此,在诸多方面,高速数字电路PCB选材和射频微波电路的需求类似。
在实际的工程操作中,高频板材的选择看似简单但需要考虑的因素还是非常多的,通过本文的介绍,作为PCB设计工程师或者高速项目负责人,对板材的特性及选择有一定的了解。了解板材电性能、热性能、可靠性等。并合理使用层叠,设计出一块可靠性高、加工性好的产品,各种因素的考量达到佳化。
选择合适板材的主要考虑因素--PCB高频板
、与产品匹配的各种性能
低损耗,稳定的Dk/Df参数,低色散,随频率及环境变化系数小,材料厚度及胶含量公差小(阻抗控制好),如果走线较长,考虑低粗糙度铜箔。另外一点,高速电路的设计前期都需要仿真,仿真结果是设计的参考标准。“兴森科技-安捷伦(高速/射频)联合实验室”解决了仿真结果和测试不一致的业绩难题,做过大量的仿真和实际测试闭环验证,通过方法能做到仿真和实测一致。
第二、材料的可及时获得性
很多高频板材采购周期非常长,甚至2-3个月;除常规高频板材RO4350有库存,很多高频板都需要客户提供。因此,高频板材需要和厂家提前沟通好,尽早备料。
第三、法律法规的适用性等
要与不同国家环保法规相融合,满足RoHS及无卤素等要求。
以上各个因素中,高速数字电路运行速度是PCB选择考虑的主要因素,电路的速率越高,所选PCBDf值就应该越小。具有中,低损耗的电路板材将适合10Gb/S的数字电路;具有更低损耗的板材适用25Gb/s的数字电路;具有低损耗板材将适应更快的高速数字电路,其速率可以为50Gb/s或者更高。
第四、成本因素Cost
看产品的价格敏感程度,是消费类产品,还是通讯、医疗、工业、类的应用。
从材料Df看:
Df介于0.01~0.005电路板材适合上限为10Gb/S数字电路;
Df介于0.005~0.003电路板材适合上限为25Gb/S数字电路;
Df不超过0.0015的电路板材适合50Gb/S甚至更高速数字电路。
PCB多层板和堆叠规则
1、每个PCB都需要良好的基础:组装说明
PCB的基础方面包括介电材料,铜和走线尺寸以及机械层或尺寸层。用作电介质的材料为PCB提供了两个基本功能。当我们构建能够处理高速信号的复杂PCB时,介电材料会隔离在PCB相邻层上发现的信号。PCB的稳定性取决于整个平面上电介质的一致阻抗以及在宽频率范围内的一致阻抗。
尽管看起来铜作为导体很明显,但还存在其他功能。铜的不同重量和厚度会影响电路实现正确电流量和定义损耗量的能力。就接地层和电源层而言,铜层的质量会影响接地层的阻抗和电源层的热导率。使差分信号对的厚度和长度相匹配可以巩固电路的稳定性和完整性,尤其是对于高频信号而言。
物理尺寸线、尺寸标记、数据表、切口信息、通孔信息、工具信息和组装说明不仅描述了机械层或尺寸层,而且还充当了PCB基础的度量。组装信息控制电子部件的安装和位置。由于“印制电路组装”过程将功能组件连接到PCB上的走线,因此组装过程要求设计团队专注于信号管理、热管理、焊盘放置、电气和机械组装规则之间的关系,以及组件的物理安装符合机械要求。
每个PCB设计都需要IPC-2581中的组装文档。其他文件包括物料清单、Gerber数据、CAD数据、示意图、制造图、注释、装配图、任何测试规格、任何质量规格以及所有法规要求。这些文档中包含的准确性和细节减少了设计过程中任何出现错误的机会。
2、遵循的规则:排除和布线层
在房屋中安装电线的电工遵守规则,以确保电线不会出现急剧弯曲或变得易受用于安装石膏板的钉子或螺钉影响。使电线穿过双头螺栓墙需要以一致的方式来确定布线路径的深度和高度。
保持层和布线层为PCB设计建立了相同的约束条件。保持层定义了设计软件的物理约束(例如组件放置或机械间隙)或电气约束(例如布线保持)。布线层建立组件之间的互连。根据PCB的应用和类型,可以在PCB的顶层和底层或内部层中放置布线层。
为接地平面和电源平面寻找空间
每个房屋都有一个主要的电气服务面板或负载中心,可以接收来自公用事业公司的进来的电力,并将电力分配给为灯、插座、电器和设备供电的电路。PCB的接地层和电源层通过将电路接地和将不同的板上电压分配给组件来提供相同的功能。与服务面板一样,电源和接地层可以包含多个铜段,这些铜段允许电路和子电路连接到不同的电位。
保护电路板,保护走线
的房屋油漆工会仔细记录天花板,墙壁和装饰的颜色和饰面。在PCB上,丝网印刷层使用文本来顶层和底层上组件的位置。通过丝网印刷获得信息可以使设计团队免于引用装配文件。
由房屋油漆工施加的底漆,油漆,污渍和清漆可添加引人入胜的颜色和纹理。此外,这些表面处理可以保护表面不致变质。同样,当某种类型的碎屑落在走线上时,PCB上的薄阻焊层可帮助PCB防止走线短路。
3、PCB叠层规则
随着PCB技术的改进和消费者对更快,更强大产品的需求的增加,PCB已从基本的两层板变为具有四,六层以及多达十至三十层的电介质和导体的板。为什么要增加层数?拥有更多的层可以提高电路板分配功率,减少串扰,消除电磁干扰并支持高速信号的能力。用于PCB的层数取决于应用、工作频率、引脚密度和信号层要求。
通过两层堆叠,顶层(即第1层)用作信号层。四层堆叠使用顶层和底层(或第1层和第4层)作为信号层,在此配置中,第2层和第3层用作平面。预浸料层将两个或多个双面板粘合在一起,并充当层之间的电介质。六层PCB增加了两层铜层,第二层和第五层作为平面。第1、3、4和6层承载信号。
继续前进到六层的结构,内层二三(当为双面板)和四五(当为双面板)为芯板层,芯板之间夹半固化片(PP)。由于半固化片材料尚未完全固化,因此材料比芯材柔软。PCB制造过程将热量和压力施加到整个堆叠体上,并使半固化片和纤芯熔化,以便各层可以粘结在一起。
多层板为堆叠增加了更多的铜层和电介质层。在八层PCB中,电介质的七个内部行将四个平面层和四个信号层粘合在一起。十到十二层板增加了电介质层的数量,保留了四个平面层,并增加了信号层的数量。