當(dāng)前世界性的環(huán)境保護的需求,使得電子產(chǎn)品要具有省能源部小型化特的要求更加強烈。這也促使了數(shù)據(jù)、信息處理的電子產(chǎn)品,向高速、大容量化的深層次的推進。另一方面,個人需求的IT產(chǎn)品,也同樣向著功能復(fù)合化、高性能化(高速化)、低消費電力化的方向進展。在電子產(chǎn)品的信號傳送方式上,由并行傳輸方式向著連續(xù)方式發(fā)展。并且還開始出現(xiàn)了在電氣傳輸中加入了光路傳輸?shù)姆绞健k娮釉骷母呒苫?、高頻化的發(fā)展,使得具有高頻性的印制電路板需求量在不斷的增高。
過去,印制電路板只起到了安裝在它上面的電子部品之間的電氣互連的功能。而現(xiàn)在,又提出了許多的新功能的要求,例如:整機產(chǎn)品的高速、大容量化要求PCB的信號傳輸?shù)姆€(wěn)定化;要求PCB有防止EMI/EMC的相應(yīng)對策;由于組件的MCM(Multi Chip Module)化、SiP(System in a Package)化的高密度安裝以及電子部品的發(fā)熱源的高度集中的問題等,都要求PCB具有更商的耐熱性、散熱性;基板的元器件內(nèi)藏等產(chǎn)品形式的出現(xiàn),出賦予PCB新的功能。從提高操作性、加工性及降低制造成本的觀點上出發(fā),IC封裝所使用的基板,由陶瓷等無機類PCB材料,向著使用環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺樹脂等有機類PCB基板材料方向的轉(zhuǎn)化。
1.高頻電子產(chǎn)品中具有控制特性阻抗性的PCB設(shè)計技術(shù)所涉及的方面。
具有高精度控制特性阻抗性的PCB制造,是整體把握的設(shè)計技術(shù)所保證。而這一系統(tǒng)的整體設(shè)計技術(shù),主要包括了基板材料的介電特性、部品特性、設(shè)計方法、PCB制造特性、組裝方法等的技術(shù)。正如圖1所描述那樣,高精度控制特性阻性的PCB有著三大方面(高精度層壓技術(shù)、高精度電鍍技術(shù)、高精度圖形形成技術(shù))的要素技術(shù)。
一般的高頻性印制電路板基板材料的特性,包括著它的信號傳播損失?。ň哂械徒殡姵?shù)性、低介質(zhì)損耗因數(shù)性)、信號傳輸速度高、在介電特性方面受到頻率、溫度、濕度變化下而表現(xiàn)出的高穩(wěn)定性等內(nèi)容。
選擇高頻性印制電路板基板材料,首先必須要考慮到它在高頻電路PCB上的信號傳播損失的特性。1GHZ以上領(lǐng)域內(nèi)還會存在著由于“表皮效果”(又稱為“肌膚效應(yīng)”)問題,它造成的導(dǎo)體損失。
還應(yīng)該認(rèn)識到,在基板材料上、在PCB制造上、在組裝上由于存在著微小偏差(特別是在層間厚度、介電常數(shù)、導(dǎo)體厚度、導(dǎo)體寬度四個方面的偏差),就會造成基板材料的特性阻抗的不整合,出現(xiàn)反射、衰減量的增大。
2.有關(guān)基板材料的選擇
制造高頻性印制電路板,對基板材料的選擇是十分重要的。在選擇基板材料時,應(yīng)該注意以下的四點原則。
(1) 對影響介電特性關(guān)鍵項目的考慮
對絕緣基板材料介電體特性的考慮,首要的是要選擇介質(zhì)損失因數(shù)值小的基板材料?;宀牧系臉渲肿訕?gòu)造中具有極性結(jié)構(gòu)部分,由于在高頻條件下對頻率條件下對頻率信號會產(chǎn)生振動、熱、雜波的變化,至使信號電壓出現(xiàn)衰減。
另外,要選擇介民常數(shù)小的基板材料。介電常數(shù)與介電體損失、信號的傳輸速度、信號的波長的縮短率相關(guān)?;宀牧系慕殡姵?shù)值高,波長的縮短率則大。例如,一般的環(huán)氧樹脂-玻璃纖維布基覆銅板(通稱FR-4)的介電常數(shù)(公稱值)為“4.7”,為了簡便計算讓為“4.0”。 1GHZ的模擬信號的波長在空氣中(空氣的介電常數(shù)為1)為30mm,當(dāng)傳輸路線為300mm長時,振幅次數(shù)為10個。采用FR-4基板材料的配線圖形,由于它介電常數(shù)比空氣的介電常大4倍,在同樣長度(30mm)的傳輸路線情況下,振幅次數(shù)增加到20個。而在信號的振幅方面,由于反射、吸收的關(guān)系其信號衰減量要大于在空氣中傳輸?shù)乃p量。
RF電路、天線電路多采用波長(λ)為λ/4的設(shè)計。由于存在著介電常數(shù)與波長的縮短率成正比的關(guān)系,使用這兩種電路設(shè)計,對基板材料要求低的介電常數(shù)的設(shè)計。在過去用KHZ、MHZ頻率電路設(shè)計的時代,曾經(jīng)使用過高介電常數(shù)、低介質(zhì)損失因數(shù)的陶瓷基板材料(它的介電常為10,介質(zhì)損失因為0.0002)。在1GHZ傳輸頻率下,信號波長在空氣中為30mm,而采用FR-4基板材料的配線圖形上的信號波長為15mm。λ/4的設(shè)計方式下,配線長度縮短為3.75mm。從印制電路板制造質(zhì)量的精度上考慮,使用高介電常數(shù)的基板材料,若想得到所要求的高頻性能是很困難的。因此,在1GHZ以上的電路要求的情況下,采用低介電常數(shù)的基板材料制造PCB是十分必要的。而使用有機樹脂系基材,要比陶瓷基材更易實現(xiàn)基板材料的低介電常數(shù)、低介質(zhì)損失因數(shù)化的要求。表1介紹了目前市場上具有代表性的有機樹脂類的低介電常數(shù)性基板材料產(chǎn)品。
(2) 在頻率變化下的對介電體特性的考慮
目前一般所用的典型基板材料——FR-4覆銅板及具體代表性的低介電常數(shù)的基材料,在不同的頻率條件下的介電常數(shù)和介質(zhì)損失因數(shù)的變化情況。
低介電常的基板材料,在1GHZ以上在介電特性上是基本變化不大的。而在1MHZ –1MHZ頻率范圍內(nèi),它的介電特性測定值“混亂”——變化跳動較大。
FR-4基板材料的介電常數(shù)在1MHZ時是4.7,在1GHZ時是4.3。隨著頻率條件的不同而略微有變化。并且從1MHZ到1GHZ的頻率增高,它表現(xiàn)出略微下降的趨勢。
(3) 在環(huán)境變化下的對介質(zhì)體特性的考慮
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