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PCB线路板调试技术之六类模块

在PCB抄板及设计工作中，我们常常要对电路板进行调试与测试，六类模块电路板的调试就是其中一种，为了能让大家更好的理解六类模块电路板的调试技术，我先给大家简单的介绍一下六类模块。六类模块的核心部件是线路板，其设计结构、制作工艺基本上就决定了产品的性能指标，六类模块执行的标准是 EIA/TIA 568B.2-1，当中为重要的参数是插入损耗、回波损耗、近端串扰等。

插入损耗 (Insert Loss)：由于传输通道阻抗的存在，它会随着信号频率的增加而使信号的高频分量衰减加大，衰减不仅与信号频率有关，也与传输距离有关，随着长度的增加，信号衰减也会随着增加。回波损耗(Return Loss)：由于产品中阻抗发生变化，就会产生局部震荡，致使信号反射，被反射到发送端的一部分能量会形成噪音，导致信号失真，降低传输性能。如全双工的千兆网，会将反射信号误认为是收到的信号而引起有用信号的波动，造成混乱，反射的能量越少，就意味着通道采用线路的阻抗一致性越好，传输信号越完整，在通道上的噪音就越小。回波损耗RL的计算公式：回波损耗=发射信号÷反射信号。
  

在设计中，阻抗的全线路一致性以及与100欧姆阻抗的六类线缆配合是解决回波损耗参数失效的有效手段。例如PCB线路的层间距离不均匀、传输线路铜导体截面变化、模块内的导体与六类线缆导体不匹配等，都会引起回波损耗参数变化。近端串扰(NEXT)： NEXT是指在一对传输线路中，一对线对另一对线的信号耦合，即为当一条线对发送信号时，在另一条相邻的线对收到的信号。这种串扰信号主要是由于临近绕对通过电容或电感耦合过来的，通过补偿的办法，抵消、减弱其干扰信号，使其不能产生驻波是解决该参数失效的主要办法。

在模块试制阶段，用理论做指导，以计算机辅助设计为依据，就能很快的达到预期效果。在国内进行的六类模块PCB设计中，主要以线路对角补偿理论做依据，进行大量的试制工作，同样也可达到预期效果。模块与插头引起的信号外漏现象会发生相互间的信号干涉，为防止信号干涉现象，在平衡链路中导体进行扭绕，达到平衡传输的目的，扭绕结构会造成信号间的相位变化，也会增大线路上的信号衰减，这个结构称之为非屏蔽结构(UTP)。4对平衡双绞线中，每对线的绞距不同，线缆尾端使用模块化的连接件，形成连接件和接插件之间的相连，相互连接区内形成导体之间进行的平衡结构，即为六类系统的链路。在链路内产生了在平衡线路中所发生的信号干扰现象，即为串扰，解决串扰问题是进行高速通信用连接件制造的核心技术。
  

在接触端子之间产生接触损失会导致衰减、反射损失等现象，这种损失在高速信号传输时，会产生障碍和故障，解决这类问题是进行高速通信用连接件制造的核心技术。在模块与插头的连接线路中，插头内的每对连接端子是平衡线路，平衡线路中导体会产生信号外漏及阻抗损耗，阻碍通信的大因素就是信号外漏。可通过研究E场和H场解决此类问题或从研究反向衰减的方法中寻找解决方案，这是高速通信用连接件制造的核心技术。E场和H场平衡线路上所发生的信号干扰，即电磁场干扰，可通过E场和H场的分布进行描述。



电子通信线路测试的主要参数是扫频下进行的相关测量，在这个频率信号上附加语音或数据包进行传输，传输速度越高频率越快。用信号外漏的解决方法来解释产生问题的插座信号外漏现象，基本的方法是根据电感和电容所发生的信号外漏仿真图，在信号集中区域收集信号并进行返送。在设计中，耦合电容的设计是关键参数，与耦合线路的长度、线间距离、宽度、补偿线路布置等有关。考虑到六类系统采用4对线同时传输信号，必然会对其产生综合远端串绕，可通过分析，进行计算机仿真，设计出补偿线路。国内同行一般进行的六类模块试制过程主要是在确定主干回路后，在设计出补偿回路，进行大量的方案设计和样品制作，在补偿线路、PCB层间结构基本确定后，后续工作主要是通过工艺改进，从而提。

PCB行业全景解析
印制电路板（PrintedCircuitBoard，简称“PCB”），是承载电子元器件并连接电路的桥梁，指在通用基材上按预定设计形成点间连接及印制元件的印制板，其主要功能是使各种电子零组件形成预定电路的连接，起传输作用。

PCB作为电子产品的关键元器件几乎应用于所有的电子产品，是现代电子信息产品中不可或缺的电子元器件，被誉为“电子产品之母”。
PCB产品分类


PCB的产品种类众多，可以按照产品的导电层数、弯曲韧性、组装方式、基材、特殊功能等多种方式分类，但在实际中，往往根据PCB各细分行业的产值大小混合分类为：单面板、双面板、多层板、HDI板、封装载板、挠性板、刚挠结合板和特殊板。

PCB封装基板分类可分为：存储芯片封装基板（eMMC）、微机电系统封装基板（MEMS）、射频模块封装基板（RF）、处理器芯片封装基板及高速通信封装基板。

封装基板是Substrate（简称SUB）。基板可为芯片提供电连接、保护、支撑、散热、组装等功效，以实现多引脚化，缩小封装产品体积、改善电性能及散热性、密度或多芯片模块化的目的。

按基材柔软性划分，PCB可分为刚性印制电路板、挠性（柔性）印制电路板（FPC）和刚挠结合印制电路板。

FPC以软性铜箔基材（FCCL）为原材料制成，具有配线密度高、轻薄、可弯曲、可立体组装的优点，适用于小型化、轻量化和移动要求的电子产品。

印刷电路板主要由金属导体箔、胶粘剂和绝缘基板三种材料组合而成，不同的PCB，其绝缘基板表面的导体涂层数可能不同。

根据导电涂层数，可分为单面板、双面板、多层板。其中，多层板又可分为中低层板和高层板。常见的多层板一般为4层板或6层板，复杂的多层板可达几十层。

PCB行业产业链


中国的电子产业链日趋完善、规模大、配套能力强，而PCB产业在整个电子产业链中起到承上启下的关键作用。

PCB是每个电子产品承载的系统合集，核心的基材是覆铜板，上游原材料主要包括铜箔、玻璃纤维及合成树脂。

从成本来看，覆铜板占整个PCB制造的30%-40%左右，铜箔是制造覆铜板的主要原材料，成本占覆铜板的30%（薄板）和50%（厚板）。

下游应用比较广泛，其中通信、汽车电子和消费电子三大领域占比合计60%，5G基站的建设加速将拉动PCB产业链的快速发展。

覆铜板是核心基材图片

覆铜板（CCL）的制造过程是将增强材料浸以有机树脂，经干燥加工形成半固化片。将数张半固化片叠合在一起的坯料，一面或两面覆以铜箔，经热压而成的一种板状材料。

从成本来看，覆铜板占整个PCB制造的30%左右，覆铜板的主要原材料为玻璃纤维布、木浆纸、铜箔、环氧树脂等材料，其中铜箔作为制造覆铜板的主要原材料，占80%的物料比重包括30%（薄板）和50%（厚板）。

各个品种的覆铜板之所以在性能上的不同，主要是表现在它所使用的纤维增强材料和树脂上的差异。生产PCB所需的主要原材料包括覆铜板、半固化片、铜箔、氰化金钾、铜球和油墨等，覆铜板是为主要的原材料。

PCB行业增长态势稳健


PCB广泛的运用途径将有力支撑未来电子纱需求。2019年PCB产值约为650亿美元，中国PCB市场较为稳定，2019年中国PCB市场产值近350亿美元，中国地区是增长快的区域，占产值的一半之多，未来将持续增长。

PCB产值地区分布，美洲、欧洲、日本PCB产值在的占比不断下降，亚洲其他地区（除日本）的PCB产业产值规模则迅速提高，其中中国大陆的占比提升迅速，是PCB产业转移的中心。

PCB市场格局


PCB市场较为分散，集中度不高。

2019年PCB市场中鹏鼎（中国）、旗胜（日本）、迅达（美国）以6%、5%、4%市占率。

主板要求在有限的空间上承载更多的元器件，进一步缩小线宽线距，普通多层板和HDI已经难以满足需求，由更小的高阶HDI并联起来分散主板功能，使结构设计更加紧凑。

PCB主要应用领域


PCB板的应用覆盖范围十分广泛，下游应用比较广泛，其中通信、汽车电子和消费电子三大领域占比合计60%，5G基站的建设加速将拉动PCB产业链的快速发展。

汽车电子

汽车用PCB要求工作温度符合-40°C~85°C，PCB一般选用FR-4（耐燃材料等级，主要为玻璃布基板），厚度在1.0~1.6mm。

根据中国产业发展研究网的数据，目前中轿车中汽车电子成本占比达到28%，混合动力车为47%，纯电动车高达65%。


消费电子

随着智能手机、平板电脑、VR/AR以及可穿戴设备等频频成为消费电子行业热点，创新型消费电子产品层出不穷，并将渗透消费者生活的方方面面。这也为消费电子PCB的发展带来了契机。

2019年手机及消费电子占PCB下游应用的比例分别为37%。移动终端的PCB需求则主要集中于HDI、挠性板和封装基板。

据Prismark统计，移动终端的PCB需求主要以HDI及挠性板为主，其中HDI板占比约为50.68%，并有26.36%的封装基板需求。

服务器

服务器平台升级将带动整个服务器行业进入上行周期，而PCB以及其关键原材料CCL作为承载服务器内各种走线的关键基材，除了服务器周期带来的量增逻辑，同时还存在服务器平台升级带来的价增逻辑。

可以说，在服务器面临升级、市场即将扩容的情况下，PCB和CCL将因为服务器升级迎来量价齐升的增长机会。

2019年个人电脑的PCB需求主要集中于挠性板和封装基板，合计占比达48.17%；服务/存储的PCB需求以6-16层板和封装基板为主。

PCB在服务器中的应用主要包括背板、高层数线卡、HDI卡、GF卡等，其特点主要体现在高层数、高纵横比、高密度及高传输速率。服务器市场的发展也将推动PCB市场特别是PCB市场的发展。

通信领域PCB

在通信领域，根据不同的PCB特性，可以应用于不同功能的通信设备上。对于大尺寸多层、高频材料可以应用于无线网及传输网中。相比而言，多层板、刚挠结合的PCB元件可用于数据通信网及固网宽带等环节。

根据券商的相关测算，单个5G基站对PCB的使用量约为3.21㎡，是4G基站用量的1.76倍，同时由于5G通信的频率更高，对于PCB的性能需求更大，因此5G基站用PCB的单价要4G基站用PCB，由于5G的频谱更高，带来基站的覆盖范围更小，根据测算国内5G基站将是4G基站的1.2-1.5倍，同时还要配套更多的小基站，因此5G所带来的基站总数量将要比4G多出不少。

此外，5G基站功能增多，PCB上元件的集成密度明显提升，电路板的设计难度也随之提高。高频高速材料的使用和制造难度的提升将显著提升PCB单价。

PCB发展趋势图片
PCB的高频多层化：为了扩大通讯通道，以适应数字时代对信息量与速度传播需求的提升，电子通讯设备的使用频率逐步向高频领域转移。

这就要求PCB基板材料应具有低介电常数与低介电损耗角正切值，只有这样才能获得高传播信号速度，并减少信号传播过程中的损失。除此之外，PCB工艺也随着电子信息技术的发展而向多层化、微线宽、微间距多盲孔等方向发展。

高层化PCB将显著缩小密集复杂的线路连接空间，达到集成化的效果。多层板在电子产品设计上得到普遍的认可并得到深入的技术研发。常见的多层板以四层PCB为主，现在六、八、十层板也逐渐得到普及。


PCB品质的提升推动上游CCL、FR-4基板的产业升级

随着PCB工业规模的扩大核心技术的创新，行业的竞争也不断加剧，厂家开始更为重视PCB产品的品质，因此对PCB品质的管控也愈加严格。

为了适应PCB向精细线路、高频多层方向发展，其上游的CCL材料由单一型过渡到系列化，覆铜板的新材料、新工艺、新技术的运用与研发成为必然趋势。

与此相对应，FR-4型产品的性能也逐渐提升，FR-4型覆铜板的某些性能已不能完全满足PCB的制作要求，FR-4逐步走向高耐燃性、高尺寸稳定性、低介电常数和环保性。


CB国产化进程加速

中国PCB企业依靠成本优势、产能扩张和下游本土品牌的崛起，拉动PCB国产化进程。随着行业的发展，中国PCB内资企业通过自身发展或合资建厂，逐渐积累自身资本、人才和技术资源，构建自身产业护城河，不断发展壮大。

在技术上，不断加大研发投入，积累中PCB技术；在产能上，不断投资建厂，形成规模优势；在产业链上，逐步完善上游原材料渠道和应用市场，形成完备的上下游产业链体系。

中国正式实现PCB贸易从逆差到顺差的转变，标志着中国PCB正进行结构性转变，生产技术不断发展，初步实现进口替代的目标。

PCB板材的Tg值

业界长期以来，Tg值是常见的用来划分FR-4基材的等级指标，通常认为Tg值越高，材料的可靠性越高。

比如下图老wu在南亚上边截取的关于FR-4板材的说明：

Tg135℃，板材用途：主机板、消费类电子产品等

Tg180℃，板材用途：CPU主板，DDR3 内存基板，IC封装用基板等等。

基材对于印刷电路板的作用，就像印刷电路板对于电子器件的作用一样重要。按照PCB的基材按性质可分为有机基板和无机基板两个大的体系。

有机基板由酚醛树脂浸渍的多层纸层或环氧树脂、聚酰亚胺、氰酸酯、BT 树脂等浸渍的无纺布或玻璃布层组成。这些基板的用途取决于 PCB 应用所需的物理特性,如工作温度、频率或机械强度。

无机基板主要包括陶瓷和金属材料，如铝、软铁、铜。这些基板的用途通常取决于散热需要。

我们常用的刚性印制板基板属于有机基板，比如FR-4环氧玻纤布基板，是以环氧树脂作粘合剂，以电子级玻璃纤维布作增强材料的一类基板。

我们看到，FR-4以环氧树脂作为粘合剂，树脂材料有一个重要特性参数：玻璃化转变温度Tg（glass transition temperature），指的是材料从一个相对刚性或“玻璃”状态转变为易变性或软化状态的温度转变点。

玻璃态物质在玻璃态和高弹态之间相互可逆转化的温度。啥意思？就是说FR-4基板的粘合剂环氧树脂若温度低于Tg，这时材料处于刚硬的“玻璃态”。当温度Tg时，材料会呈现类似橡胶般柔软可挠的性质。对！它~变【软】了~ 图片



玻璃态

树脂材料处于温度Tg以下的状态为坚硬的固体即玻璃态。在外力作用下有一定的变形但变形可逆，即外力消失后，其形变也随之消失，是大多数树脂的使用状态。

高弹态

当树脂受热温度超过Tg时，无定形状态的分子链开始运动，树脂进入高弹态。处于这一状态的树脂类似橡胶状态的弹性体，但仍具有可逆的形变性质。

注意，温度超过Tg值后，材料逐渐变软，是逐渐，而且只要树脂没有发生分解，当温度冷却到Tg值以下时，它还是可以变回之前性质相同的刚性状态。

氮素，有个Td值，叫热分解温度，树脂类材料被加热至某一高温点时，树脂体系开始分解。树脂内的化学键开始断裂并伴随有挥发成分溢出，那PCB基材里的树脂就变少了。Td点指的是这个过程开始发生的温度点。Td通常定义为失去原质量5%时对应的分解温度点。但这5%对于多层PCB来说是非常高的了。

我们知道，影响PCB上传输线特性阻抗的因素有，线宽，走线与参考平面间距，板材介电常数等等。而基板材料的树脂量对介电特性有很大的影响，而且树脂挥发后对控制走线与参考平面的间距也有影响。

对于无铅焊接工艺需要考虑这个Td值，比如传统的锡铅焊接工艺温度范围为210~245℃，而无铅焊接工艺温度范围为240~270℃。

下边两个这个截图是老wu在建滔官网上下载的两份板材的参数表做的对比，左边的是FR-4常规系列板材，右边是FR-4无铅板材

常规FR4 板材 KB-6160 Tg值为135℃，5%质量损失Td值为305℃

FR4无铅板材 KB-6168LE Tg值为 185℃，5%质量损失Td值为359℃

我们看到，常规FR4板材的Td值都在300℃以上，而有铅焊接工艺温度范围在240~270℃，Td值完全满足哇，为啥还要搞个无铅版本呢？

正如老wu上边所述，5%的树脂质量挥发率对于需要控制阻抗的多层PCB来说显得太大了，对于锡铅焊接工艺来说，210~245℃的温度材料基本不会出现明显的热分解，而无铅焊接的240~270℃温度区间，对于普通Tg FR-4 基材来说，已经开始损失1.5~3%的树脂质量。虽然不到IPC标准所要求的5%，但这损失的树脂质量也不可忽视。同时，这个分解水平，还可能会影响基材长期的可靠性或导致焊接过程中出现分层或空洞的缺陷，特别是需要多次焊接的过程或存在返修加热的情况。

所以，如果采用无铅焊接工艺的话，除了考虑Tg值，还要考虑Td值。

基板材料的性能在Tg值以上和在Tg值以下时差异很大，不过，Tg值一般被描述为一个非常的温度值，比如Tg135，并不是说温度一超过135℃基板就变得软趴趴，而是当温度接近Tg值开始，材料的物料性能会开始改变，它是一个逐步变化的过程。

树脂体系的Tg值对材料的性能影响主要有两个方面：

热膨胀的影响

树脂体系固化时间

板材受热膨胀，脑补一下画面，SMT焊接时BGA焊盘的间距是不是也就跟着变化了？而且，热膨胀导致的机械应力，会对PCB上的走线和焊盘的连接造成细微的裂纹，这些裂纹可能在PCB生产完毕后的开/短路测试时不会被发现，而在SMT等二次加热后故障就显现出来了，这往往让人很懵逼，而糟糕的情况是，SMT加热时暗病都没出现，在产品出去之后，在冷热交替的使用环境中，板材的受热膨胀让这些细微的裂纹随机性的发生，造成设备故障。

基板材料热性能参数除了标准Tg、Td值，还有热膨胀系数CTE，有X/Y轴方向的CTE也有Z轴方向的CTE。

Z轴的CTE对PCB的可靠性有很重要的影响。由于镀覆孔贯穿PCB的Z轴，所以基材中的热膨胀和收缩会导致镀覆孔扭曲和塑性形变，也会使PCB表面的铜焊盘变形。

而SMT时，X/Y轴的CTE则变得非常重要。特别是采用芯片级封装（CSP）和芯片直接贴装时，CTE的重要性更为，同时，X/Y轴的CTE也会影响覆铜箔层压板或PCB的内层附着力和抗分层能力。特别是采用无铅焊接工艺的PCB来说，每一层中的X/Y轴CTE值就显得尤其重要了。

那么，是不是高Tg值的基材就是好呢？在关于Tg值的许多讨论中，往往认为较高的Tg值总是对基材有利的，但情况也并非总是如此。可以确定的是，对于一种给定的树脂体系，高Tg值基材在受热时的材料高速率膨胀开始时间要相对晚一些，而整体膨胀则与材料的种类有很大关系。低Tg值的基材可能会比高Tg值的基材表现出更小的整体膨胀，这主要与树脂本身的CTE值，或者树脂配方中加入无机填料 降低了基材的CTE有关。

同时还要注意的是，有些低端的FR-4材料，标准Tg值是140℃的基材比标准Tg值是170℃的基材具有更高的热分解温度Td值。如上边老wu所述，Td对于无铅焊接来说是一个很重要的指标，一般建议选择Td数值较大的，而的FR-4往往同时具备高的Tg值和高Td值。

此外，高Tg值的基材往往比低Tg值的基材刚性更大且更脆，这往往会影响PCB制造过程的生产效率，特别是钻孔工序。

比如某创就发帖子说明，随着板子越来越密，过孔与过孔之间的间隙越来越小，对于材料要求越来越高，为此某创将提供TG=155的中TG板材为多层板收费服务！

为啥多收费？

TG=155的板材比TG=135的成本高20%左右,嗯 来料贵了

因为钻孔,中TG用新钻钻咀效果更佳（一般钻咀能磨4次），因为太硬

压合时间：普通TG=135的只需要压合110分钟，而中TG=1 55的压合150分钟

为啥要提供中或高Tg板材，板厂那边说，原因之一是因为高密的过孔，普通TG的过孔间距不能小于12MIL，而中TG不能小于 10MIL，因为板材有玻璃布，在钻孔的时候会有一些拉伤，两个过孔之间你拉一点我拉一点就形成了灯芯效应，而中TG因为硬，板材内的成份不一样，又加上用新钻咀能有效的防范灯芯效应，后续对于难度高的多层板，过孔间间隙太密，某创会强制客选择用中TG板材生产！

原因之二是基板的Tg提高了， 印制板的耐热性、耐潮湿性、耐化学性、耐稳定性等特征都会提高和改善。TG值越高，板材的耐温度性能越好，尤其在无铅喷锡制程中，高Tg应用比较多。

这是从板厂的可制造性方面考虑，而如果是PCB装配采用无铅焊接工艺的话，还需要综合考虑玻璃化转变温度Tg、分解温度Td、热膨胀系数CTE、吸水率、分层时间等等因素。