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    PCB高頻板材有哪些?如何選擇?----寫給FR4的初學者!

    發布日期:2021-11-10 11:46:04  |  關注:66

    在加工測試高頻PCB板,高頻天線時,經常會有初學者,因為選了不正確的高頻PCB導致產品結果不如人意。今天就來簡單聊聊,PCB高頻板材有哪些?如何選擇?



    PCB高頻板的定義

    高頻板是指電磁頻率較高的特種線路板,用于高頻率(頻率大于300MHZ或者波長小于1米)與微波(頻率大于3GHZ或者波長小于0.1米)領域的PCB,是在微波基材覆銅板上利用普通剛性線路板制造方法的部分工序或者采用特殊處理方法而生產的電路板。一般來說,高頻板可定義為頻率在1GHz以上線路板。

    隨著科學技術的快速發展,越來越多的設備設計是在微波頻段(>1GHZ)甚至與毫米波領域(77GHZ)以上的應用(例如現在很火的車載77GHz毫米波天線),這也意味著頻率越來越高,對線路板的基材的要求也越來越高。比如說基板材料需要具有優良的電性能,良好的化學穩定性,隨電源信號頻率的增加在基材上的損失要求非常小,所以高頻板材的重要性就凸現出來了。

    PCB高頻板材的分類

    A. 以材質分:

    a. 有機材質:酚醛樹脂、玻璃纖維/環氧樹脂、Polyimide、BT/Epoxy等皆屬之。

    b. 無機材質:鋁、Copper-invar-copper、ceramic等皆屬之。主要取其散熱功能

    B. 以成品軟硬區分

    a. 硬板 Rigid PCB ,b.軟板 Flexible PCB ,c.軟硬板 Rigid-Flex PCB

    C. 以結構分

    a.單面板 , b.雙面板 , c.多層板

    D. 依用途分

    通信/耗用性電子/軍用/計算機/半導體/電測板…


    常用的高速板材(廠家)


    國家板材性價比高,性能不輸進口產品,代表性的有:東莞生益、上海南亞新材、泰州旺靈、泰興微波、常州中英、功力陶瓷板等


    國外的有:


    1)、羅杰斯:Rogers:RO4003、RO3003、RO4350、RO5880等,隨著5G毫米波的發展,羅斯杰也推出了多款適合毫米波的低損耗線路板。


    RO3000系列:基于陶瓷填充的PTFE電路材料,型號有:RO3003、RO3006、RO3010、RO3035高頻層壓板。

    RT6000系列:基于陶瓷填充的PTFE電路材料,為需要高介電常數的電子電路和微波電路而設計的,型號有:RT6006介電常數6.15,RT6010介電常數10.2。

    TMM系列:基于陶瓷、碳氫化合物、熱固型聚合物的復合材料,型號:TMM3 、TMM4、TMM6、TMM10、TMM10i、TMM13i。等等

    2)、泰康利Taconic:TLX系列,TLY系列等


    3)、松下Panasonic:Megtron4、Megtron6等


    4)、Isola:FR408HR、IS620、IS680等


    5)、Nelco:N4000-13、N4000-13EPSI等


    6)、臺耀TUC:Tuc862、872SLK、883、933等


    當然還有很多其他高頻板材未一一列出。其中,Arlon(已被羅杰斯收購,也是老品牌射頻微波板廠)。

    選高頻高速PCB材料有哪些重要指標

    在選擇用于高頻電路的PCB所用的基板時,要特別考察材料DK,在不同頻率下的變化特性。而對于側重信號高速傳輸方面的要求,或特性阻抗控制要求,則重點考察DF及其在頻率、溫濕度等條件下的性能。

    一般型基板材料在頻率變化的條件下,表現出DK、DF值變化較大的規律。特別是在l MHz到l GHz的頻率內,它們的DK、DF值的變化更加明顯。例如,一般型環氧樹脂一玻纖布基的基板材料(一般型FR-4)在lMHz的頻率下的DK值為4.7,而在lGHz的頻率下的DK值變化為4.19。超過lGHz以上,它的DK值的變化趨勢于平緩。其變化趨勢是隨著頻率的增高,而變?。ǖ兓炔淮螅?,例如在l0GHz下,一般FR一4的DK值為4.15,具有高速、高頻特性的基板材料在頻率變化的情況下,DK值變化較小,自lMHz到lGHz的變化頻率下,DK多保持在0.02范圍的變化。其DK值在由低到高不同頻率條件下,略微有下降的趨向。

    一般型基板材料的介質損失因子(DF),在受到頻率變化(特別是在高頻范圍內的變化)的影響而產生DF值的變化要比DK大。其變化規律是趨于增大,因此,在評價一種基板材料的高頻特性時,要對其考察的重點是它的DF值變化情況。具有高速高頻特性的基板材料,在高頻下變化特性方面,一般型基板材料存在著兩類明顯的不同的兩類:一類是隨著頻率的變化,它的(DF)值變化甚小。還有一類是在變化幅度上與一般型基板材料盡管相近,但它本身的(DF)值較低。

    如何選擇高頻高速板材

    選擇PCB板材必須在滿足設計需求、可量產性、成本中間取得平衡點。簡單而言,設計需求包含電氣和結構可靠性這兩部分。通常在設計非常高速的PCB板子(大于GHz的頻率)時這板材問題會比較重要。例如,現在常用的FR-4材質,在幾個GHz的頻率時的介質損Df(Dielectricloss)會很大,可能就不適用。

    舉例來說,10Gb/S高速數字信號是方波,它可以看作是不同頻率的正弦波信號的疊加。因此10Gb/S包含許多不同頻率信號:5Ghz的基波信號、3階15GHz、5階25GHz、7階35GHz信號等。保持數字信號的完整性以及上下沿的陡峭程度和射頻微波(數字信號的高頻諧波部分達到了微波頻段)的低損耗低失真傳輸一樣。因此,在諸多方面,高速數字電路PCB選材和射頻微波電路的需求類似。

    在實際的工程操作中,高頻板材的選擇看似簡單但需要考慮的因素還是非常多的,通過本文的介紹,作為PCB設計工程師或者高速項目負責人,對板材的特性及選擇有一定的了解。了解板材電性能、熱性能、可靠性等。并合理使用層疊,設計出一塊可靠性高、加工性好的產品,各種因素的考量達到最佳化。

    下面將分別介紹,選擇合適的板材主要考慮因素:

    1、可制造性:

    比如多次壓合性能如何、溫度性能等、耐CAF/耐熱性及機械韌(粘)性(可靠性好)、防火等級;

    2、與產品匹配的各種性能(電氣、性能穩定性等):

    低損耗,穩定的Dk/Df參數,低色散,隨頻率及環境變化系數小,材料厚度及膠含量公差?。ㄗ杩箍刂坪茫?,如果走線較長,考慮低粗糙度銅箔。另外一點,高速電路的設計前期都需要仿真,仿真結果是設計的參考標準?!芭d森科技-安捷倫(高速/射頻)聯合實驗室”解決了仿真結果和測試不一致的業績難題,做過大量的仿真和實際測試閉環驗證,通過獨有方法能做到仿真和實測一致。

    3、材料的可及時獲得性:

    很多高頻板材采購周期非常長,甚至2-3個月;除常規高頻板材RO4350有庫存,很多高頻板都需要客戶提供。因此,高頻板材需要和廠家提前溝通好,盡早備料;

    4、成本因素Cost:  

    看產品的價格敏感程度,是消費類產品,還是通訊、醫療、工業、軍工類的應用;

    5、法律法規的適用性等:  

    要與不同國家環保法規相融合,滿足RoHS及無鹵素等要求。

    以上各個因素中,高速數字電路運行速度是PCB選擇考慮的主要因素,電路的速率越高,所選PCBDf值就應該越小。具有中,低損耗的電路板材將適合10Gb/S的數字電路;具有更低損耗的板材適用25Gb/s的數字電路;具有超低損耗板材將適應更快的高速數字電路,其速率可以為50Gb/s或者更高。

    從材料Df看:

    Df介于0.01~0.005電路板材適合上限為10Gb/S數字電路;

    Df介于0.005~0.003電路板材適合上限為25Gb/S數字電路;

    Df不超過0.0015的電路板材適合50Gb/S甚至更高速數字電路?! ?/p>

    加工方法:

    1.開料:必須保留保護膜開料,防止劃傷、壓痕

    2.鉆孔:

    2.1 用全新鉆咀(標準130),一塊一迭為最佳,壓腳壓力為40psi

    2.2 鋁片為蓋板,然后用1mm密胺墊板,把PTFE板加緊

    2.3 鉆后用風槍把孔內粉塵吹出

    2.4 用最穩定的鉆機,鉆孔參數(基本上是孔越小,鉆速要快,Chip load越小,回速越?。?/p>

    3.孔處理 

    等離子處理或者鈉萘活化處理利于過孔金屬化

    4.PTH沉銅

    4.1 微蝕后(已微蝕率20微英寸控制),在PTH拉從除油缸開始進板

    4.2 如有需要,便過第二次PTH,只需從預計?缸開始進板

    5.阻焊

    5.1 前處理:采用酸性洗板,不能用機械磨板

    5.2 前處理后焗板(90℃,30min),刷綠油固化

    5.3 分三段焗板:一段80℃、100℃、150℃,時間各30min(如有發現基材面甩油,可以返工:把綠油洗掉,重新活化處理)

    6.鑼板

    將白紙鋪在PTFE板線路面,上下用厚度為1.0MM蝕刻去銅的FR-4基材板或者酚醛底板夾緊

    以上綜述了如何選擇高速板材以及設計注意事項,實際中應用還得根據具體案例具體分析。

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