PCB高频板的定义与如何选择

article/2025/8/14 12:30:59

在加工和测试高频PCB板及高频天线时,初学者往往会遇到由于选择了不适当的高频PCB板材而导致产品性能不理想的情况。今天,我们就来简要探讨一下,常见的PCB高频板材有哪些,以及如何选择适合的板材。

一、PCB高频板的定义

高频电路板,作为一种特种线路板,主要适用于电磁频率较高的场合,特别是在高频率(频率大于300MHz或波长小于1米)与微波(频率大于3GHz或波长小于0.1米)领域。它是在微波基材覆铜板上,通过采用普通刚性线路板的部分制造工序或特殊处理方法而制成的电路板。一般而言,当电路板的频率达到1GHz以上时,即可被定义为高频板。

随着科学技术的日新月异,越来越多的设备设计开始涉足微波频段(>1GHz),甚至拓展至毫米波领域(如77GHz),特别是在车载77GHz毫米波天线等热门应用中。这种趋势不仅推动了频率的不断提升,也对线路板的基材提出了更高的要求。例如,基板材料需要具备优秀的电性能、稳定的化学性质,以及随着电源信号频率的增加,在基材上的损耗必须极小。因此,高频板材的重要性愈发凸显。

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二、PCB高频电路板材的分类

1. 按材质分类

1. 有机材质:包括酚醛树脂、玻璃纤维/环氧树脂、Polyimide(聚酰亚胺)、BT/Epoxy(双马来酰亚胺三嗪/环氧树脂)等。

2. 无机材质:主要包括铝、Copper-invar-copper(铜-殷钢-铜)、ceramic(陶瓷)等,这些材质主要因其出色的散热功能而被选用。

2. 按成品软硬程度分类

1. 硬板(Rigid PCB):具有坚固的结构和稳定的性能。

2. 软板(Flexible PCB):具有柔韧性和可弯曲性,适用于需要灵活布线的场合。

3. 软硬结合板(Rigid-Flex PCB):结合了硬板和软板的特性,具有更高的设计灵活性和应用广泛性。

3. 按结构分类

1. 单面板:只有一面敷有导电层的电路板。

2. 双面板:两面均敷有导电层,中间由绝缘材料隔开。

3. 多层板:由多层导电层和绝缘层叠加而成,具有更高的电路集成度和可靠性。

4. 按用途分类

1. 通信板:用于各种通信设备和系统中。

2. 耗用性电子板:常见于消费类电子产品中。

3. 军用板:满足军事领域特殊要求的电路板。

4. 计算机板:用于计算机硬件中的电路板。

5. 半导体板:在半导体制造和测试过程中使用的电路板。

6. 电测板:用于电子测试和测量设备中的电路板。

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三、选择高频高速PCB板材料的重要指标

在选择用于高频电路的PCB基板材料时,需要重点考察材料的几个关键指标。首先,材料的介电常数(DK)在不同频率下的变化特性是必须要考虑的。对于侧重信号高速传输或特性阻抗控制的应用,则需要特别关注材料的耗散因子(DF)及其在不同频率、温湿度等条件下的性能表现。

一般型基板材料在频率变化时,通常会表现出DK和DF值较大的变化规律。特别是在1 MHz到1 GHz的频率范围内,这种变化尤为明显。例如,一般型环氧树脂-玻纤布基的基板材料(如FR-4)在1 MHz频率下的DK值为4.7,而在1 GHz频率下,DK值会变化至4.19。超过1 GHz后,DK值的变化趋势逐渐平缓,但随着频率的增高,其值仍会略微下降(尽管变化幅度不大)。在10 GHz频率下,FR-4的DK值约为4.15。

具有高速高频特性的基板材料在频率变化时,其DK值的变化较小。从1 MHz到1 GHz的频率范围内,DK值多保持在0.02范围内的变化。同时,在不同频率条件下,其DK值也略微有下降的趋向。

此外,一般型基板材料的介质损失因子(DF)在频率变化时,特别是高频范围内,其变化幅度通常比DK大,且往往呈现增大的趋势。因此,在评估一种基板材料的高频特性时,DF值的变化情况是需要重点考察的。具有高速高频特性的基板材料在高频下的DF值变化特性通常有两类:一类是其DF值随频率变化甚小;另一类则是在变化幅度上与一般型基板材料相近,但其本身的DF值较低。

丰得电路专注于PCB板生产加工

四、如何选择高频电路板高速板材

在选择PCB板材时,必须在满足设计需求、可量产性以及成本之间找到平衡点。简而言之,设计需求涵盖了电气性能和结构可靠性两大方面。尤其是在设计超高速PCB(频率大于GHz)时,板材的选择尤为重要。例如,常用的FR-4材质在几个GHz的频率下,其介质损耗(Df,即Dielectric Loss)会显著增大,可能不再适用。

以10Gb/S的高速数字信号为例,这种信号可以视为多个不同频率的正弦波信号的叠加。因此,10Gb/S信号包含了多种不同频率的成分:如5GHz的基波信号、3阶的15GHz信号、5阶的25GHz信号以及7阶的35GHz信号等。为了确保数字信号的完整性,保持信号上下沿的陡峭程度,并与射频微波(数字信号的高频谐波部分达到微波频段)的低损耗、低失真传输相兼容,高速数字电路PCB的选材与射频微波电路的需求存在许多相似之处。

在实际的工程操作中,高频板材的选择看似简单,但需要考虑的因素却相当复杂。通过本文的介绍,PCB设计工程师或高速项目负责人可以对板材的特性及选择有更深入的了解。了解板材的电性能、热性能、可靠性等特性,并合理运用层叠设计,以打造出高可靠性、优良加工性的产品,实现各种因素的最佳平衡。

五、选择合适的板材主要考虑因素

1. 可制造性:包括多次压合性能、温度稳定性、耐CAF/耐热性及机械韧性(可靠性)、防火等级等。这些因素对于板材的制造过程和最终产品的质量至关重要。

2. 与产品匹配的性能:主要考虑电气性能和稳定性,如低损耗、稳定的Dk/Df参数、低色散,以及随频率及环境变化系数小。材料厚度及胶含量公差小有助于阻抗控制。对于长走线,考虑使用低粗糙度铜箔。高速电路的设计前期需要仿真作为参考标准,而“兴森科技-安捷伦(高速/射频)联合实验室”通过大量仿真与实际测试验证,确保了仿真与实测的一致性。

3. 材料的可获得性:许多高频板材的采购周期较长,可能达到2-3个月。除常规高频板材(如RO4350)有库存外,其他高频板材往往需要客户提前与厂家沟通并备料。

4. 成本因素:根据产品的价格敏感程度和应用领域(如消费类、通讯、医疗、工业、军工等)来评估成本。

5. 法律法规的适用性:确保板材符合不同国家的环保法规,如RoHS及无卤素等要求。

在上述因素中,高速数字电路的运行速度是选择PCB板材时的主要考虑因素。电路速率越高,对PCBDf值的要求就越低。具体而言,具有中、低损耗的电路板材适用于10Gb/S的数字电路;具有更低损耗的板材适用于25Gb/s的数字电路;而对于50Gb/s或更高速率的数字电路,则需要采用超低损耗的板材。从材料Df值来看,Df值介于0.01~0.005的电路板材适用于上限为10Gb/S的数字电路;Df值介于0.005~0.003的电路板材适用于上限为25Gb/S的数字电路;Df值不超过0.0015的电路板材则适用于50Gb/S甚至更高速的数字电路。

高频板加工方法解析

六、加工方法

1. 开料:在操作过程中,务必保留保护膜进行开料,以防止板材表面被划伤或产生压痕。

2. 钻孔:使用全新的钻咀(标准130),建议采用一块一迭的方式进行钻孔,压脚压力设定为40psi。使用铝片作为盖板,并在下方放置1mm的密胺垫板以加紧PTFE板。钻孔完成后,使用风枪清理孔内的粉尘。为确保钻孔的准确性和稳定性,选用最可靠的钻机,并适当调整钻孔参数(一般来说,孔径越小,钻速应适当加快,Chip load(切削负载)和回速应相应减小)。

3. 孔处理:采用等离子处理或钠萘活化处理,以优化过孔金属化的效果。

4. PTH沉铜:在微蚀处理(微蚀率控制在20微英寸)后,将板材从PTH拉线中的除油缸开始送入。如有需要,可进行第二次PTH处理,此时只需从预计的缸位开始送入板材。

5. 阻焊

6. 三段处理

1. 前处理:采用酸性洗板,避免使用机械磨板。

2. 前处理后烘烤:在90℃下烘烤30分钟,使绿油固化。

3. 分段烘烤:分三段进行烘烤,每段温度分别为80℃、100℃、150℃,各烘烤30分钟。若发现基材面有甩油现象,可采取返工措施:将绿油清洗掉,重新进行活化处理。

7. 锣板:在PTFE板的线路面上铺设白纸,上下用厚度为1.0MM的蚀刻去铜的FR-4基材板或酚醛底板夹紧,以确保锣板过程中的稳定性和准确性。

以上内容综述了高频PCB高速板材的选择及设计注意事项。在实际应用中,还需根据具体案例进行具体分析,以确保加工过程的顺利进行和最终产品的性能达标。

深圳市丰得电路科技有限公司主要从事高频高速、微波射频印制电路板的生产厂家,以快样和中小批量为主。主要产品有产品主要有:微波射频高频板、Rogers罗杰斯高频板、Rogers多层高频混压板、Rogers射频板、Taconic微波板、Taconic多层线路板、Arlon微带天线板、ARLON高频板、F4BM天线板、F4BM多层混压板、射频功放PCB板、HDI精密多层板,为国内外高新技术企业和科研院校服务。

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