高速电路的印制板设计.ppt

1、高速电路的印制板设计,航天时代电子公司 姜培安 2008.05,主要内容,1.概述 2.高速电路设计的基础理论 3.高速电路用印制板的特点 4.印制板设计的 内容和方法 5.高速电路PCB基材及选择 6.PCB的结构要素设计 7. PCB对高速信号完整性的影响 8. PCB的涂镀层和热设计考虑 9.印制板图设计 10.布局和布线 11.地线和电源线设计 12.高速电路PCB的可制造性 13.PCB的可靠性平价 14.结束语,1.概述,电子元器件和印制电路板是构成电子整机的重要基础零部件，微电子技术的飞速发展，特别是数字化、高集成度、高可靠和小型化的片式元器件的出现，为电子整机产品向小型化、轻量

2、化、高速度、高可靠、多功能的发展创造了有力的条件。 电子产品的 数字化和高速度，要求电路要在较高的频率或器件在较高的开关速度下工作，其电路的特性和安装元器件的印制电路板特性与一般中、低频电路及其印制电路板的特性有很大变化，设计和制造、测试的难度更大。 高速电路已在IT、通讯和制导控制等系统的电子产品中得到广泛应用，这对安装电子元器件的印制电路板及其设计也提出了新的要求和挑战，印制电路的设计技术也必须应对这些挑战，以适应新的 高速器件应用要求。,高速电路设计，是一项复杂的电子设计工作，它包括两个方面，即高速的电路设计和高速电路印制板设计。这两个方面相互影响，又相互制约。 高速信号在印制板上传输，

3、会产生传输效应，可能引起信号的失真和不完整性，高速电路的印制板设计，就是要尽量减少或降低传输效应对电路的影响。做好高速电路印制板设计需要掌握复杂的高速电路理论及其计算，又要了解高速电路用印制板的特性，并要有一定的实践经验。 本文将从高速电路及其印制板基材的特性入手，着重介绍高速电路用印制板的材料选择、布局、布线及各要素设计。企望能对高速电路的印制板设计者起到抛砖引玉的作用。,2 高速电路设计的基础理论,2.1高速电路的含义: 随着电子器件的发展，逻辑电路的集成度和工作频率越来越高，工作状态变换的边沿速率越来越快，使电子系统的设计复杂性、工作频率和集成度大大提高。当数字逻辑电路的频率达到或超过4

4、550MHz时，将会产生传输效应和信号完整性的问题。 如果电路中工作在这个频率以上的部分，占整个电子系统30以上或主频率在120MHz以上的部分占20的电路通常称为高速电路。 实际上，器件的快速上升和下降时间，使信号,边沿的谐波频率比信号本身的频率高，所引起的传输效应要比工作频率引起的更为普遍。 所以，高速电路传输线又可以理解为信号在导线中传输延时大于1/2数字器件上升沿时间（驱动端）时，则该导线为高速信号传输线。高速信号超过一定比例则该电路为高速电路。 2.2传输效应 2.2.1阻抗 (impedance） 电路中的导线供信号电流的传递用，在低频段主要呈电阻特性，遵循基本电阻定律即： R=L

5、 / s = L / w.t 式中：R电阻；导线电阻率 ; L导线长度； s导线截面积；w线宽度；t导线厚度。,纯铜材料的电阻率（1.72108m）很小，因此铜印制导线的电阻也很小，在直流或低频电路中印制导线较短时，线电阻可以忽略。当信号频率升高超过一定范围则呈现电感和电容特性，这时导线电阻称为阻抗（Z），包括电阻、感抗（jXL=2fL）和容抗(Xc=1/2 fc)，用公式表示为： Z=R+ jXL+ Xc 在音频以上（2kHz）导线均表现出感抗，当频率超过100kHz以上感抗超过电阻，而在高频中容抗不包括阻抗频率响应的方程中。所以印制板上的导线可以等效为串联的电阻、电感和并联的电阻、电容结构

6、（见图21）,图21高频时印制导线的等效电路 2.2.2特性阻抗(characteristic impedance) 印制板上的传输线阻抗是瞬间变化的电压与电流之比即：Z=U/I ,总的阻抗在高频时感抗和容抗远大于电阻分量，所以阻抗又可以用感抗和容抗表示，Zo=Lo/Co 。它与导线的宽度、厚度及相邻接地层的距离和基板材料的介电常数有关。所以在印制导线上的阻抗在高频或高速电路中称为特性阻抗（Zo）。 传输线的特性阻抗一般为5075，如果阻抗的,值太低，则驱动器会过载，功耗增加，从而产生热损耗，温升提高；如果阻抗值太高，将会产生更多的串扰，从而对敏感电路产生干扰，进而引起电磁干扰问题。 2.2.

7、3传输线效应 如果印制导线作为传输线，与信号接收端的阻抗不匹配或导线的阻抗与电路的传输延时要求不匹配，都会引起信号的最终状态不同和影响信号的完整性。根据不同的传输线模型，在电路上可能产生： 信号反射、延时或时序错误、过冲与下冲、串扰、地弹、多次跨越逻辑电平阈限错误和电磁 辐射等效应。 这些效应统称为传输效应。,（1）信号反射（Reflection） 是指信号功率从源通过传输导线到达负载，如果源端与负载端阻抗相同，反射不会产生；如果源端与负载端的阻抗不匹配，在传输线上就会引起信号的反射，负载将一部分电压反射回源端，从而使信号轮廓失真变形。过长的走线、布线的几何形状、不正确的端接（布线拓扑不合理）

8、，经过连接器的传输及电源平面的不连续性等因素的变化都会引起反射信号的产生。如果负载阻抗大于源端阻抗，反射电压为正；反之，负载阻抗小于源端阻抗，反射电压为负。 当源端和负载端阻抗都不能与传输线的特性阻抗匹配时，会发生多次反射，并切反射的信号在传输线上随反射次数增加而衰减，就像衰减振荡器,一样，不对称的衰减达到一个稳定的值，这种现象又称为振铃，实际上是反复出现的过冲和下冲。 （2）延时或时序错误（Delay） 信号延时或时序错误是指：信号在印制导线上以有限的速度传输，信号从源端出发到达接收端，其间有一固定时间，这一时间称延时。当信号在导线传输时间大于驱动端器件的上升或下降时间的1/2，称延迟，信号

9、的延迟会对系统的时序产生影响，引起传输的问题。在高速数字电路的印制板中，走线过长、过孔太多以及导线周围介质的介电常数和介质损耗等因素都会导致传输延迟而影响高速电路的正常工作。,（3）过冲与下冲（Overshoot/Undershoot） 过冲与下冲是信号在由上升沿变成高电平或下降沿变为低电平时产生的现象，过冲是第一个峰值或谷值超过设定的电压，即 对上升沿是指最高电压，对下降沿是指最低电压。下冲是指下一个谷值和峰值。过度的过冲能引起保护二极管工作，瞬间产生的高于或低于平稳电平的毛刺，可能远远地超过元件的电压范围，损坏元器件。 过分的下冲可能引起假的时钟或传输数据的错误，会引起器件误动作。 PCB

10、的信号线走线过长或者信号变化太快或两者同时存在都是引起过冲和下冲的原因。,（4）串扰（Crosstalk） 串扰是两条相邻信号线之间的耦合，信号线之间的互感和互容引起线上的噪声。互容性耦合引发耦合电流，互感性耦合引发耦合电压。它表现为PCB上当一根导线上有信号通过时，在与之相邻的信号线上就会感应出相关信号，干扰了信号的正常传递。 PCB的结构、相邻信号线的间距、驱动端和接收端的电气特性及导线的端接方式对导线串扰都有一定影响。 （5）地弹 在电路中有较大的电流涌动时，会引起地平面（0V）上产生电压的波动和变化，形成地平面反弹噪声，会影响其他元器件误动作，这种现象称为地弹。,通常是在电路中大量芯片

11、的输出同时开启时，有一个较大的瞬态电流在芯片与印制板的电源平面流过，芯片封装与电源平面的电感和电阻会引发电源噪声，从而引起地平面上的电压波动。负载电容的增大、负载电阻的减小、地电感的增大以及同时开关的器件数目增加，都会导致地弹的增大。 PCB上的地电平面的分割不当，当数字信号线走到模拟地布线区时，也会产生地平面回流噪声 （6）多次跨越逻辑电平阈限错误 信号在跳变的过程中可能多次跨越逻辑电平阈限，导致逻辑功能紊乱的一种特殊的信号振荡形式。信号的振荡和环绕振荡由线上过度的电感和电容引起的，振荡属于欠阻尼状态，而环绕振荡,是过阻尼状态。振荡可以通过适当的端接予以减小，但是不可能完全消除。如时钟、振荡

12、器电路等容易产生振荡，影响信号的完整性，它同反射一样是由于阻抗不匹配、布线的几何形状、不正确的端接等多种因素引起的，应根据具体情况，有重点的综合性采取措施，才能减少振荡。 （7）电磁 干扰（Electromagnetic Interference） 根据麦克斯韦方程（电磁感应方程）： EB/t 和 H J D/t 即：在闭合电路中变化的电场产生磁场，而变化的磁场又产生电场。在印制板上高速电路工作时，有时变电流产生，因而板上即有电场又有磁场，并且这些磁场和电场，随着电路频率的提高而逐步加强，达到一定限度，就会对电路的工作产生不利的影响，会使电路失真，信号的完整性,受到破坏，严重时会有电磁辐射，干

13、扰相邻的线路或相邻印制板甚至整个系统的正常工作，这一现象称为电磁干扰（EMI）。 产生EMI的原因主要有： 电路工作频率太高； 逻辑器件的边沿速率太快； 印制板基材选择不当和布局布线不合理。 目前，印制板的CAD设计有EMI仿真软件工具，通过设定仿真参数和设置边界条件建模进行仿真。如IBIS模型和SPICE模型等。应用的软件很多（如Mentron Graphics公司的IS软件，Power PCB5.0设计软件，以色列的Valor），发展也很快,不同的软件其操作程序和功能都不完全相同。,（8）趋肤效应 当高频的交变电流，流过导线时，电流将趋向在导线的表面流动，随着频率的提高，电流就越趋向于在导

14、线表面。这一现象称为趋肤效应。 当导体内部电磁场和电流的大小减小到导体表面电流值的37时，则该点到导体表面的距离被定义为趋肤深度（ ），它与电路的频率、导线的电导率和导磁率等因素有关，用公式表示为： 式中： 趋肤深度 0铜的导磁率（4107 H/m ） 铜的导电率（5.8107/m） f 频率（s1）,f 0 ,1,实际上导线的趋肤深度在高频时很薄，如100MHz时，趋肤深度只有0.0017mm。而频率在1MHz时，趋肤深度为0.017mm，对薄铜箔的印制导线，可以说这一频率的电流基本上在整个导体层流过。因此趋肤效应只在较高频率的高速电路和微波电路中存在。在频率较低的电路中不予考虑。 对于信号

15、的趋肤效应，在印制板中导体表面镀层 和导线上的有机涂层的特性会影响信号电流的传递，如果镀层电阻率高或涂层介质损耗大，会引起信号衰减和阻抗的变化，因而影响电路的正常工作。了解此特性，在印制板设计时应正确选择涂、镀层。,3.高速电路用印制板的特点 由于高速电路的特性，它所用的印制板与普通印制板相比有许多不同的特点，设计时必须注意这些特点，采取相应措施才能获得满意的设计效果。这些特点主要反映在以下方面： 3.1印制板的功能扩大 一般印制板的功能是为电子元器件提供安装支撑、实现电气连接和绝缘的基板；而高速电路用印制板除此功能之外，还具有特性阻抗、电磁兼容的性能，构成电路参数的一部分，结构和布线参数直接

16、影响电路的性能，使印制电路板真正具有电路的功能。 3.2印制板所用的基材有特殊要求 高速电路用印制板所采用的基材，除了要满足其,一般电气、机械和使用的环境要求外，必须要对 基材的介电常数和介质损耗及耐离子迁移等特性有严格要求。 3.3印制板的结构复杂 普通印制板有单面、双面和多层布线，而高速电路印制板主要是双面和多层布线，多数为具有地、电层的多层板，并且布线密度较高、通孔较少，层间互连可能有盲孔、埋孔，并且多数为表面安装板。 3.4孔径小、导线精度要求高 为了减少过孔的寄生电容，高速电路印制板的过孔的直径较小，数量也尽量少；为了保证传输导线的特性阻抗值，印制导线的尺寸精度高。 3.5导线层与地

17、电层之间介质层距离小 导线层与地、电层之间距离小，过孔长度小，有,利于提高传输速度和电磁兼容效果。 3.6布线的拓扑结构要求严格 高速电路印制板布线拓扑，在两个连接的节点之间走线较短，导线分支少，拐弯处为圆角或钝角，走线宽度和间距均匀，导线上制造缺陷少。 3. 7传输线采用微带线和带状线布线形式 为了便于调整传输线的特性阻抗，高速电路多层印制板通常采用微带线和带状线布线形式。 1）微带线 是PCB上数字电路实现阻抗调节常用的方法。它是将印制导线贴附于绝缘介质的表面并暴露在空气中，在介质层的另一面是接地参考平面或电源面（如图31a所示）；另有一种嵌入式微带，在印制导线表面有介质材料覆盖（如阻焊,

18、涂层、敷形涂层等）见图31b所示。 微带特性阻抗的计算 微带线特性阻抗由印制导线的厚度、宽度和基材厚度以及电介质的介电常数决定。当w/t在0.13.0之间、介电常数在15之间时，特性阻抗Zo可用下式计算： Zo ,图31(a)表面微带结构,图31(b)嵌入式微带结构,传输线 绝缘介质 接地平面,覆盖层,W,t,H,87, r1.41,ln,5.98h,0.8 w t,式中：Zo特性阻抗，； w印制导线宽度，mm； h导线与接地平面之间的介质层厚度mm； t印制导线厚度，mm ； r相对介电常数。 采用以上公式时应注意使用条件（导线宽度、厚度、介质层厚度和介电常数等），不同的条件下使用的公式是有

19、区别的。 2)带状线 信号线位于两接地面之间的布线形式见图32。 W,H,t,图32a单带状线 图32b双带状线,d,带状线的特性阻抗由印制导线的厚度、宽度、电介质层的介电常数以及两接地平面的距离有关，根据传输线与两接地平面的距离相同或不同，又分为对称带状线和非对称带状线，两者特性阻抗的计算方法不同。对称的带状线 当W/h2时阻抗Zo可用下面的经验公式计算： Z0 Ln 式中：Zo特性阻抗，； w印制导线宽度，mm； h两接地平面之间距离，mm； t印制导线厚度，mm； r基材的相对介电常数 。,r,60,4(2ht ),2.1(0.8w+t),双带状线的阻抗可按以下近似计算： Z0（ ) 1

20、 式中： Zo特性阻抗，； w印制导线宽度，in； h两接地平面之间距离，in； t导线厚度，in; d信号层间距离，in。 r基材的相对介电常数 从以上微带线和带状线的特性阻抗计算公式可以看出共同点是特性阻抗都与基材介电常（ r ）的平方根成反比，与导线的厚度或接地平面的距离和导线宽度与导线厚度之和比值的自然对数成正比。可见基材的介电常数对特性阻抗的影响,1.9(2h+t),0.8w+t,h,4(h+d+t),r,80,更大一些，并且可用导线的宽度（W）、厚度（t）与接地面距离（h）来调整特性阻抗的值。 4.印制板设计的 内容和方法 随着电路的数字化、高速化和小型化要求，器件的集成度越来越高

21、，芯片的开关速度越来越快，相应的印制板必须满足和适应这些特性的要求。在一般低频电路中使用的印制板，主要的功能是为元器件的安装和实现电气连接和绝缘提供的基板，而在高速、高频电路中使用的印制板，不仅要具有以上的基本功能，并且还会对电路的参数和信号的完整性有较大的影响，印制板的选材、布线和电磁兼容问题考虑十分重要，因而高速电路印制板的设计除应保持一般印制板设计的基本要求外，还应有一些特殊的设计要求和方法。,4.1 设计的通用原则 印制板的设计决定印制板的固有特性，在一定程度上也决定了印制板的制造、安装和维修的难易程度，同时也影响印制板的可靠性和成本。所以设计时应遵循以下通用的原则，综合考虑各项要素，

22、才能取得较好的设计效果。 1）电气连接的正确性： 布局、布线时，印制导线的连接关系应与电原理图的逻辑关系相一致，如因机械、电气性能要求不宜在板上布线时，应在印制板装配图上注明连线要求。 2）可靠性： 印制板的结构、基材的选择、布局、布线、印制导线的宽度与间距以及制造和安装工艺等因素，都会影响印制板的可靠性。设计时必须综合考虑以上因素合理选择印制板的结构（布线层数）,数）和布局、布线，在高频、高速电路设计时，必须考虑电磁兼容问题。一般讲布线层数少、布线密度低的板可靠性高。但是在一些特殊电路中，由于电气性能的要求，采用多层板可能会比单面和双面布线取得更好的可靠性。 3）工艺性： 即可制造性（DFM

23、），是PCB设计必须考虑的因素。设计时确定印制板的结构、布局、布线和导线宽度、间距以及孔径大小等要素，应与印制板当前的制造和装联工艺水平相适应，尽可能有力于制造、安装和维修。一般来说布线密度越高、层次越多、导线宽度和间距越小、孔径越小其制造的难度增加。,4）经济性： 不同结构类型（单面、双面和多层布线或挠性板）、不同基材、不同加工精度要求的印制板，以及不同的设计方法，其成本相差很大，一般来说多层板的成本要高于单面和双面板，高密度布线板成本高于低密度布线板。设计时应考虑成本最低的原则，在满足使用性能要求和安全、可靠的前提下力求经济适用。 5）环境适应性和环保性： 根据印制板使用时的环境条件，合理

24、选择印制板的基材和涂覆层，以满足使用环境的需要，可以提高印制板的可靠性，延长印制板的使用寿命。 选用的材料和工艺力求对环境无污染或低污染。,4.2 设计的内容 印制板设计是按电路设计的意图，根据网络表将电路原理图转换成印制板图、确定印制板结构、选择基材、考虑机械、电气和热性能，布局和布线，考虑可制造性并提出加工要求和验收标准的全过程。主要设计内容由： 1）选择基材； 2）确定PCB结构、尺寸和精度； 3）机械性能设计； 4）电气性能设计（含电磁兼容考虑）； 5）热学设计； 6）印制板表面涂（镀）层的选择； 7）导电和非导电图形设计（布局、布线、焊盘图形和阻焊图形设计等）； 8) 印制板加工需要

25、的其他技术文件。,4.3设计方法 印制板的设计方法有： 人工设计和计算机辅助设计（CAD） 人工设计： 早期的印制板图设计是采用人工绘制或贴图的方式绘制，需要绘制成2：1或4：1的放大图，再经过照像制版形成1：1的底板图形，才能用于生产。该法工艺复杂又费时间，并且质量差，难于制作导线精细、图形复杂的多层印制板图。从上一世纪70年代出现计算机辅助设计系统，将CAD用于印制板设计后，此法逐渐被淘汰，但偶尔在简单的印制板图设计时也有采用。 CAD法： 计算机辅助设计（CAD）是电子设计（EAD）的重要工程内容。,印制电路的CAD包括电路设计和印制板图设计，CAD技术目前已广泛地应用于印制板设计。 C

26、AD法设计印制板速度快，可以按预定的设计规则自动布线，节省了人力、提高了质量，并且可以完成人工无法进行的复杂图形设计。CAD还可以直接为印制板制造提供加工数据，能实现CAD与CAM、CAT的一体化，减少了设计与生产图纸转换的误差，大大提高了印制板的加工质量和一致性，缩短设计和生产周期、降低成本，提高了印制板的研制、开发效率。 此处介绍的印制板设计内容主要是指：印制板图形设计部分。,4.3.1 CAD设计的流程 PCB设计用的软件种类很多，例如：Protel OrCAD 、PADS、Mentro公司Power PCB5.0 等，根据产品的复杂程度及掌握和应用软件的习惯，可以采用不同的设计软件，不

27、同的设计软件包含功能不同，其操作方法不同，其价格也相差较大，在此不详细介绍，但其设计流程基本相同。典型的设计流程为：,设计准备,网络表输入,设计规则设置,布线,元器件布局,复查（人工预或仿真）,DRC检查,输出,（1）PCB设计准备 1）标准元器件库的建立 把物理元件视为电子元器件的封装尺寸在PCB上的平面投影，设计前应考虑布局布线与生产工艺可行性。建立逻辑元件的引脚与物理引脚尺寸之间的对应关系，以确定焊盘尺寸和位置。如果对双列直插式器件孔径设计过小，影响安装和焊接，孔径过大，会影响两焊盘间走线，会降低布线的布通率。 2）特殊元件库的建立 对于特殊元件尺寸，即非标准物理元件上的尺寸，必须查阅有

28、关资料或实际测量电子元器件的尺寸（外形尺寸、焊盘大小、引脚排列序号,等），必要时可以把常用的定型元器件单独建库，以供使用方便。 3)具体的PCB设计文件的建立 根据逻辑图（或网络表）、物理元件库和PCB的机械结构和外形阐述的描述，可以对某一具体印制板进行设计，但是设计中需要考虑各种设计规则的要求，往往需要多次修正，重复建立设计文件，直至达到正确、满意为止。 （2）网络表输入 网络表是自动布线的灵魂，也是原理图编辑软件与印制板图设计软件之间的接口和桥梁，,在正确、并确认网络表（含有元件封装的说明）后，将网络表导入设计系统，如果采用Power PCB进行设计可采用两种方法： 一种是使用Power

29、Logic的OLE Power PCB Connection功能，选择Send Netlist，应用OLE功能，可以随时保持原理图与PCB图的一致，尽量减少出错的可能。 另一种方法是直接在Power PCB中装载网络表，选择File Import命令，将原理图生成的网络表导入。 如果采用Protel 99-PCB可直接从设计文件夹“Documents”调出，导入PCB板设计编辑器。,（3）规则设置 按用户要求对元件的布置参数、板的层数、焊盘形状尺寸、过孔大小、布线参数等进行设置。如果在原理图设计阶段已经把PCB的设计规则设置好了，就不再重新设置，如果有修改，但逻辑关系必须保证原理图与PCB图的

30、一致。 （4） 元器件布局 输入网络表后，所有的元器件都会在工作区的零点重叠在一起，布局就是把这些元器件（元件的投影图形）分开，按规则整齐摆放在规定的位置，在摆放元件前，应设定板的外形（Board Outline）和布局、布线区域。布局有两种方法：手工布局和自动布局。,布局时应考虑保证布线的布通率，制造的工艺要求，电磁兼容等问题。一般采用手工布局效果更好一些。自动布局效果往往不太理想，需要人工调整。 （5）布线 在布局的基础上按布线规则和逻辑要求布设导线，有两种方法布线，即手工布线和自动布线，通常两种方法配合使用，步骤是手工自动手工。 手工布线是在自动布线前对导线宽度和间距、走线距离、屏蔽等有

31、特殊要求的导线，如高频时钟、模拟小信号、主电源等导线，先用手工布线，其次是一些特殊的封装，如QFP/BGA类的器件走线。自动布线是在手工布设完那些特殊导线,后，其余的网络线由计算机自动布线，如果达到100%布通率，则再进行手工调整优化。如果不能100布通，就要重新调整布局和手工布线，直至完全布通 。自动布线往往难于完全符合布线规则，必需要进行手工调整。 （6）检查 按设计规则（DRC）和电原理图检查布线。检查项目应包括：连通性、导线宽度和间距、焊盘、过孔、高速规则、地电层等。 （7）复查 根据PCB检查表逐项检查布局布线的合理性和与设计规则的符合性，如果不合格，则需修改布局和布线，同时可以进行

32、人工调整，直至符合要求。有条件再进行电路的仿真，以保证设计的质量和可靠性。,（8）设计输出 PCB设计好以后，可以将设计输出光绘文件和打印文件。光绘软件交印制板生产厂商绘制生产底版；打印文件是应用打印机分层打印出各层导电图形、阻焊图、字符图和钻孔图，以便于设计检查、复查和生产方检验。 5.高速电路PCB基材及选择 正确选择基材是印制板设计的重要内容，尤其是在高速电路的PCB设计中更为关键。基材影响印制板的基本性能（机械强度、绝缘电阻、耐电压、 介电常数、介质损耗等电性能 及耐热性能）、制造工艺和成本，设计选用基材时应综合考虑以上因素。,以减成法（铜箔蚀刻法）制造印制板所用的基材覆铜箔层压板，简

33、称覆箔板，它是目前国内外应用广泛，用量最大的PCB基材。 5.1 覆铜箔板的分类 由于电子产品的需求不同，覆箔板又分为许多种类和规格，有刚性基材和挠性基材两大类。 5.1.1刚性覆箔板： 由树脂、增强材料和铜箔层压制成，按其基材中的增强材料不同，主要分为纸基、玻璃布基、复合基、特殊材料基四大类，每一类又按树脂成分的不同分为许多子类。 PCB基材的特性，主要取决于增强材料和树脂。,1）纸基板 ：以浸渍纤维纸作为增强材料。 2）玻璃布基板：以玻璃纤维纺织而成的布浸渍树脂作为增强材料(如：G10、FR-4/FR-5)。 3）复合基板 ： 采用两种以上的增强材料的基板，表层和芯层采用了两种不同的增强材

34、料（CEM-1/CEM-3）。 4）特殊材料基板： 采用金属、陶瓷或 耐热热塑性基板的材料。 以上材料中能达到UL标准中规定的垂直燃烧法试验的燃烧性要求的V0级的板，称为阻燃型板（又称V0板），抗燃烧性能好，依次有V1、V2级等；达到UL标准HB级要求的板称为非阻燃型板。阻燃型板相当于美国NEMA标准中的FR2、,FR3、FR4、FR5等，内层印有红色商标标记。 我国标准是按国际通用的命名法用材料的英文缩写并在基材代号后面加“F”，如 CEPGC32F。 5.1.2 挠性覆铜箔板（俗称软板）主要有： 覆铜箔聚酯薄膜； 覆铜箔聚酰亚胺薄膜； 覆铜箔聚酰亚胺氟碳乙烯薄膜等。 在以上材料中还可以按特

35、性和用途分类为：高频高速PCB用基材、高耐热性基材、高尺寸稳定性和绿色环保型基材等。 以上材料根据覆箔板的铜箔面数有单面板、双面板和用于制造多层板的薄型单面或双面板。按照覆箔板的厚度和铜箔的厚度不同又有多种规格。,用于制造积层式多层印制板的感光性或热固性树脂及附树脂铜箔等材料是以上材料的特殊类型。 5.1.3 高速电路印制板中常用的基材主要有： 覆铜箔环氧玻璃布层压板（阻燃和非阻燃型）EP 覆铜箔聚四氟乙烯玻璃布层压板(PTFE) 覆铜箔聚酰亚胺玻璃布层压板(PI) 覆铜箔聚酰亚胺芳酰胺布层压板（PI） 覆铜箔聚苯醚树脂层压板（PPE 或PPO） 覆铜箔BT树脂/玻璃布层压板(BT) 挠性板材

36、主要有： 覆铜箔聚酯薄膜（PE FCCL） 覆铜箔聚酰亚胺薄膜(PI FCCL) 覆铜箔环氧/玻璃布基薄板（EP FCCL）,5.2常用基材的特性 基材的特性直接影响印制板的基本特性，诸如印制板的介电常数、介质损耗正切值、耐热性、阻燃性、吸湿性、耐离子迁移性和抗弯强度等主要取决于基材，印制板的耐电压、表面绝缘电阻、和剥离强度等性能与基材有重要关系。 在选择高频、高速印制板用的基材时，重点考虑的特性参数是：介电常数、介质损耗角正切和耐离子迁移性。 1）介电常数：规定形状的两电极之间填充介质而获得的电容与两电极之间为真空时的电容之比（ r ） 2）介质损耗角正切：又称损耗因之（Dissipatio

37、n Factor）是指当信号或能量在电介质里传输过程中所消耗的程度。用损耗角正切值表示（tan）,3）耐离子迁移性：是绝缘基材在电场作用下能承受电化学绝缘破坏的能力。(CAF）实际上是在印制板加电使用过程中在电场作用下相邻的导线或金属化孔之间金属溶解为离子，在两电极之间的绝缘层内或表面析出，而降低材料的绝缘电阻，通常发生在电位差较大的两相邻导线表面之间，或沿基材的玻璃纤维表面发生迁移。高温、高湿会加重此现象。吸湿性小的材料有利于CAF。高速电路印制板布线密度高导线间距小，应关注基材的这种特性。 高频、微波电路用的印制对特性阻抗和介质损耗有严格要求，一般应选择介电常数（r）相对较低、介质损耗小（

38、tan）的基材。,一般在特性阻抗确定的情况下，基材的介电常数小，有利于减少各导电层间的介质厚度，提高信号传输速度，适合于制作层次较多的高速电路用的多层板。 为了特性阻抗的匹配，可以选择不同介电常数的基材，在一些特殊电路中还需要较高介电常数的基材，具有电容功能的高介电常数的基材BC(Buried Capacitance)其介电常数比一般的FR-4基材约高4倍，现已成为高速度、大容量数据的传输和处理装置用印制板的重要基材。 常用特殊基材的介电常数和介质损耗角正切值见表51。,表51 从表中可以看出相同的材料在不同的频率下测量的结果是不同的，在高频时采用时域反射计（DTR）,测量信号在线路中的实际时

39、延可以确定r的精确值。所以在高频电路中计算线路的特性阻抗采用100MHz下测量的r值更为准确。,5.3高速电路PCB基材的选用 （1）选择基材的依据是： 1） 根据PCB的使用条件和机械、电气性能要求从有关标准中选择材料的型号和规格。 2）高频和微波电路应选择介电常数适合(或按需要选择)和低介质损耗的基材。对特性阻抗要求严格的板，更应注意材料的介质损耗，并在频率、温度、湿度的环境变化时应能保持稳定。根据计算选择相应介电常数和低介质损耗的材料。 3）根据预计的印制板结构确定基材的覆铜箔面数（不同规格的单面、双面覆铜箔板或多层板用薄板）； 4）根据印制板的尺寸、单位面积承载元器件重量，确定基材板的

40、厚度。多层板应根据导电层数,和层间绝缘层厚度要求确定薄型的覆铜板及粘接片的数量和总厚度。 5）满足电子产品有关环保规定（“废旧家电及电子产品回收处理体系”和“电子信息产品污染防治管理办法”），选择基材的要求还应考虑： 用PBB和 PBDE等含卤素类化合物作为阻燃剂的板材就不能选用；应选无卤素类阻燃剂的板材（目前已有含磷含氮或含硼类化合物的阻燃剂但成本高）。据溴科学与环境论坛（BSEF）认为目前FR-4板材中使用的四溴双酚A阻燃剂不在禁令之内,不属于PBB一类有害物质。目前已有既不含卤素也不含锑和磷的基材，如S1155/1165。,6）满足无铅焊接和加工工艺要求 无铅焊料应用的基材，因为无铅焊料

41、焊接温度高，应选用热稳定性好或耐热性好的材料，具体体现在材料的如下几项参数： Tg ：树脂的玻璃化转变温度，应当150； CTE ：基材的热膨胀系数相对要小(XY、 Z向)； Td ：（de compocition）板材中树脂材料的最高热分解温度应当高。在此温度下材料的一些物理、化学性能降低，产生不可逆的变化，应通过一些热应力试验后的树脂状态变化和机电性能变化来反映。对于FR-4板材热失重5时的热分解温度340。 T288 ：热分层时间, 表示基材的耐热性能。,IPC对无铅焊用板材的方案中规定FR-4板材的T28830min。通常用在288下耐热应力试验的时间来考核（在规定的时间10秒内板材不

42、起泡、不分层、铜箔的抗剥力符合规定的要求等）。含铅焊料焊接时间大于60秒，用无铅焊料应大于5分钟。但是过高的Tg不易机械加工。 一般在特性阻抗确定的情况下，基材的介电常数小，有利于减少各导电层间的介质厚度，适合于制作层次较多的高速电路用的多层板。 目前改进的FR4、FR5、PI和BT树脂等基材，对采用无铅焊接工艺基本上可以满足要求，但还需要开发耐温性更好的基材。 不同类型材料的成本相差很大，不能越高越好。选用的基本原则是：满足产品使用的电气、机械和物理要求，切勿宁高勿低，或以低代高。,（2）高速电路印制板采用的基材 一般工作频率在300MHz以下的印制板根据频率的高低和介质损耗要求，分别可以采

43、用FR-4覆铜箔板(EP) 、BT树脂覆铜箔板、聚酰亚胺覆铜箔板(PI)或氰酸酯覆铜板（CE）和聚苯醚（PPE）等。这些材料的介电特性排序为： PTFECEPPE BT PI 改性EP EP 微波是波长小于1m或频率高于300MHz电磁波（IPC-316标准中将频率在100MHz30GHz视为微波电路）微波电路板通常采用较低介电常数的聚四氟乙烯覆铜板（PTFE）。通过添加陶瓷粉等填料可以改变基材的介电常数，以适应不同介电常数的基材需要。,微波印制板用的材料与一般的高速电路印制板用的材料不同，材料的介电常数范围更宽，从2.1510.0，种类繁多，大部分由欧美和日本的供应商提供；我国泰州旺灵绝缘材

44、料厂和生益西安绝缘材料研究所可以提供介电常数2.5以上的部分材料。 聚四氟乙烯基材亲水性差，镀液不易润湿难于制作金属化孔，必须先对基材进行活化处理（用等离子或钠萘处理），提高亲水性后再金属化孔。所以用聚四氟乙烯基材的微波印制板多数是单、双面板，随着微波器件的发展和新型微波材料的开发，微波用多层印制板的应用逐渐增多。 微波用印制板是一种特殊的高速电路板从选材到制造工艺和验收都有特殊的要求，不在本文讨论的高速电路用印制板的范围，不再详细介绍。,6.PCB的结构和尺寸要素设计 PCB的设计结构对高速电路有十分重要的影响,它会影响信号的完整性、可靠性、制造的难易程度和成本。 6.1印制板的结构 根据布

45、线密度要求，整机给予印制板的空间尺寸和机械、电气性能要求决定。高速电路根据需要可以选择双面板、多层板或挠性板或刚挠性板。在双面板布线密度很高的情况下，与其采用双面板还不如采用布线密度较低的多层板。因为低层次、低密度的多层板的可靠性和可制造性要优于高密度的双面板。 双面板和多层板，可以通过金属化孔实现各导电层间的连接，能缩短信号传输的路径，提高传输速度，并且容易制作为微带线和带状线的结构，有利于保持信号的完整性。,从电磁兼容考虑，当时钟电路的频率超过5MHz时或者器件的上升时间小于5ns时，增加采用多层板的可能性。（即5/5规则） 6.2外形： PCB的外形是由在整机中的安装尺寸和布线密度要求决

46、定的，原则上可以是任意的，但是考虑到美观和加工的难易，在满足整机空间布局要求的前提下，外形力求简单，一般为尺寸不大、长宽比例不太悬殊的长方形。也允许有圆形和其他异形，但是长宽比例较大或面积较大的印制板，容易产生翘曲变形，需要增加板的厚度或采取增加支撑点和边框加固等措施,并且大尺寸板走线距离长，对高速电路容易引起信号完整性的问题。,6.2.1外形尺寸公差： 因为印制板的基材是树脂型，所以其机械加工的公差应按塑料加工的公差，不能像金属加工的公差那样严格。 6.2.2 板厚度： PCB的厚度应根据对板的机械强度要求和与之相匹配的连接器的规格尺寸，以及PCB上单位面积承受的元器件重量，从相关基材的厚度

47、标准尺寸系列中，选取合适厚度的基材。 一般不要选非标准厚度的基材，这样会增加成本；在能满足安全使用的前提下，不要选择过厚的基材，以减轻产品重量和降低成本。,一般不要选非标准厚度的基材，这样会增加成本；在能满足安全使用的前提下，不要选择过厚的基材，以减轻产品重量和降低成本。 6.2.3 印制板的总厚度： 应根据使用时对板的机械强度要求及有边缘连接器时与连接器匹配需要而定,对于多层板还应考虑各层间绝缘层厚度匹配的需要。在满足上述条件的前提下，尽量选择较薄的厚度，使作为过孔的导通孔有较小的深度，即有利于制造有可以减少寄生电容，便于高速信号的传输。 多层板中间层的绝缘材料厚度 应根据其电气性能要求（耐

48、压、绝缘电阻、特性阻抗的要求）来决定；在两相邻导电层之间，一般至少应有0.09mm厚的绝缘层（HDI板层间厚度,0.03mm），并且其粘结片不少于两片，在所有的粘结层中最好使用同一种厚度的粘结片。对微波电路用的多层板，其层间介质层的厚度应根据电路特性阻抗要求，需要严格计算而确定。 挠性板厚度：用其挠曲功能的板，应选择较薄的基材，有利于挠曲。当使用附加镀（涂）覆层、覆盖层或胶粘剂时，板的总厚度会大于挠性覆铜箔基材的厚度(基材、覆盖层厚度通常都为0.025mm)，所以对其尺寸公差应尽可能宽松。 6.3坐标网格与定位基准 为了确定孔和导电图形的位置，应采用GB1360,（印制电路坐标网格）规定的网格

49、系统，基本格子为2.54mm，辅助格子为1.27mm 和0.635mm或者更小。（公制尺寸元器件用2.5mm格子，节距小于0.635mm用公制格子，即0.5、0.4等）。 为在制造和检查导电图形时定位用，建议使用参考基准。它是两条正交的基准直线，交点为坐标原点，在同一块板上有几个图形时，所有的图形都应使用相同的参考基准。参考基准设置在板内或板外由设计者决定，并且标出印制板的边缘到基准线的尺寸和公差。 对于SMT用印制板，在具有自动光学定位系统的,高精度表面安装设备上安装时，应在印制板元件面的两角或三个角上各设置一个1.6mm的圆形或边长为2.0mm 的方形光学定位标志作为基准，在大尺寸或细节距

50、的IC 焊盘图形的对角线或中心位置上各设置一个基准标志，标志上面不允许有阻焊膜覆盖,以作为安装器件时定位。 对器件节距更小的印制板，可以用网印器件外形并作引脚的位号标志。(见下图),6.4 印制导线宽度 和间距 6.4.1导线宽度 印制导线的宽度由导线的负载电流、允许的温升和铜箔的附着力及特性阻抗匹配决定。导线宽度与载流能力见图61 ，从可制造性和可靠性考虑一般印制板的导线最宽度不小于0.10mm（3级板0.13mm）可以承载0.5A的电流。 SMT 印制板的导线宽度根据布线密度需要可小于0.2mm，高密度板（HDI）的导线宽度可小于0.1mm，导线越细其加工难度越大，所以在布线空间允许的条件

51、下，应适当选择宽一些的导线。 导线的尺寸精度取决于导电图形的设计精度、生产底版的精度、制造工艺（成像、镀覆、蚀刻的方法和质量）及导体厚度的均匀性等因素，所以只规定最小导线宽度。对于高速电路导线宽度,10,20,30,(A) 35.0 30.0 25.0 20.0 15.0 12.0 10.0 8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.5 1.0 0.75 0.5 0.25 0.125,45,75,100,60,(S ) 0 1 5 10 2030 50 70 100 150 200 250 300 400 500 600 700,105,35,70,18,25,导线宽度、横截

52、面积与允许电流的关系,0 1 5 10 2030 50 70 100 150 200 250 300 400 500 600 700,0 0.025 0.125 0.25 0.375 0.500 0.750 1.25 1.75 2.50 3.75 5.00 6.25 7.50 8.75 10.00,导线截面积（6.45104 mm2）,W,公差通常为线宽的2015；微波电路的导线宽度及公差应有严格要求一般取0.030.08、0.05mm 的公差或线宽的10。 6.4.2 印制导线间距 印制导线的间距，由导线之间的绝缘电阻、耐电压要求、电磁兼容考虑、基材的特性和加工的极限决定。 1）导线之间的绝

53、缘电阻 印制板表层导线间的绝缘电阻是由导线间距、相邻导线平行段的长度、绝缘介质（包括基材和空气）印制板的加工工艺质量、温度、湿度和表面的污染等因素所决定。,一般绝缘电阻和耐电压要求越高，其导线间距就应适当加宽。小于0.15mm的导线间距也难以加工，所以设计时在布线空间允许的条件下，应适当加大导线间距。 两相邻导线间的绝缘电阻要求严格时，可采用下列 公式来估算： Ris160RmatW/L 式中： W导线间距，mm ； Ris导线之间预计的最小绝缘电阻M； Rmat规定温度下基材的最小绝缘电阻，M； L导线平行段长度，mm 。,实际上导线的间距设计可能是不均匀的，此时W/L的平均值按下式计算：

54、式中：W1 ， W2,W n各平行段导线的标称间距； L1， L2Ln各平行段导线的长度。 内层绝缘电阻也可以用以上公式估算；层间绝缘电阻是绝缘层的体积电阻，它受外界条件影响小，主要受材料绝缘电阻和介质层厚度影响。对环氧玻璃布层压板基材，其表面绝缘电阻1010。 2) 导线间耐电压 印制导线之间的耐电压值，与板基材的绝缘介质,种类、导线间距、导线边缘的齐整性、表面污染程度、表面涂覆层、布线情况和周围环境条件等因素有关。 印制导线之间的局部放电电压很高，对以环氧玻璃布为基材的印制板，导线间的耐电压值： 在正常大气条件下，大于1200V/mm， 在低气压条件下（0.1332.66KPa），其耐电压

55、值要下降2/3左右。 在设计低气压条件下工作的印制板时，应注意这一特性。为了安全起见，在设计导线的间距时，一般取最大耐电压值（局部放电电压）的940作为允许工作电压。,设计时考虑导线的间距，使用电压必须大于最小电气间距，尤其是设计表面导线的间距，尽量保持较大的间距。线间耐电压与大气压有关，在海拔03050m高度最小导线电气间距见下表： 最小导线电气间距 单位： mm,较大的导线间距有利于降低信号串扰（相邻导线间距大于线宽的2倍即2W原则，信号串扰会明显降低）。最小导线电气间距应满足耐电压要求。 差分信号传输线（ 有两个输入端信号分别在两相邻传输线上传输的走线，抑制共模能力强）信号线应相互靠近平

56、行，间距尽可能最小（等于线宽或不小于工艺极限）； 两差分线的走线间距不应变化，长度相等或近似相等；当计算阻抗时，通过改变导线宽度优化阻抗；两相邻的差分线对之间间距，仍按2W原则。,2W,W,s,w,S工艺极限；当S=3h时反射阻抗最小,6.5 印制导线的走线长度 走线长度影响布线的密度、平行导线间的绝缘电阻、信号的传输延时和电磁兼容等问题，在低频、低速电路走线长度主要考虑布线密度和平行线间的绝缘电阻，布线虽然也是希望走短线但并不严格。 高速、高频电路中必须考虑电长走线（从时域上考虑最长走线不会引起信号的传输效应而产生信号的不完整），当传输信号的双程传输时延（源负载源）等于信号的上升时间时，可以

57、用下式计算： Lmaxtr / 2 tpd 式中： Lmax 最大布线长度(cm) tr 器件的边沿速率，（ns） tpd 信号传输的时延，（ns）,为了计算方便，对于在FR-4基材（ r 为4.6）上特定的布线拓扑结构上式可以简化为： 微带式布线结构： Lmax 9 tr (cm) 带状线布线结构：Lmax 7 tr (cm) 如果走线长度或间隔大于Lmax ，那么应该使用终端（如靠近源端串联电阻），不然，在较长的电长走线上可能出现信号反射。所以一定要尽量使电长走线小于Lmax的值。 即使有再好的终端，走线中仍会存在少量的射频电流（RF），对于较高频率的走线，导线呈现电感特性，可能会成为一个辐射RF能量的有效天线。所以，从电磁兼容角度，还要在频域范围考虑走线长度。,因为大部分天线都设计在特定的工作频率，它所对应的波长（）的1/2或1/4长度时的导线或印制线，就是一个有效的辐射器。因此，在EMC领域设计电长走线应远离该频率对应波长的1/4 的长度。 通常要求印制导线的最长走线小于该线信号频率对应波长的1/20 ,这样可以避免高频信号线成为无意形成的辐射源，以提高电磁兼容性。 譬如，同是一条10cm的走线具有R=57m,电感率8nH/cm。在信号频率为100KHz,会有5 m的感抗；当频率在100KHz 以上逐渐感抗增加，电阻在阻抗中越来越小，走线就会变成电感产生