影響4G PCB信號損耗因素分析

孟昭光 冉彥祥 葉 志（東莞市五株電子科技有限公司，廣東 東莞 523290 ）

影響4G PCB信號損耗因素分析

Paper Code: S-015

孟昭光 冉彥祥 葉 志
（東莞市五株電子科技有限公司，廣東 東莞 523290 ）

主要從影響4G PCB信號線設(shè)計(jì)、阻抗控制、介電常數(shù)、導(dǎo)體銅厚、導(dǎo)體線寬、表銅粗糙度、油墨類型、介質(zhì)常數(shù)等因素分析如何影響4G PCB信號衰減，目的是為使有阻抗要求的4G PCB主板在生產(chǎn)加工過程中能得以順利的完成，希望能給PCB制造業(yè)同行有所幫助。

信號損耗；阻抗控制；4G天線；材料；導(dǎo)體銅厚；導(dǎo)體線寬；介電常數(shù)；介質(zhì)常數(shù)

1 前言

“信號損耗”在PCB業(yè)界來講是一個(gè)比較復(fù)雜，相對較新的課題，高速設(shè)計(jì)領(lǐng)域一個(gè)越來越重要也是越來越為設(shè)計(jì)所關(guān)注的議題就是受控阻抗的電路板設(shè)計(jì)以及電路板上互聯(lián)線的特征阻抗與信號損耗的關(guān)系。3G的關(guān)鍵技術(shù)是CDMA技術(shù)（碼分多址技術(shù)），而4G采用的是OFDM技術(shù)（正交頻分復(fù)用技術(shù)），由于在4G中要在有限的頻率資源條件下傳輸高速的數(shù)據(jù)信息，因此系統(tǒng)需要采用高頻譜效率，所以控制信號處理的研究就變得十分重要。以下所述僅是我們處于PCB制作廠商的角度，對阻抗的加工、質(zhì)量控制方面的一些淺薄認(rèn)識，其必然有很多疏漏之處，敬請諒解。

2 4G信號線設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.1 4G PCB天線布線

分析4G產(chǎn)品，特別是影響4G手機(jī)的信號問題，通常應(yīng)該涵蓋3個(gè)方面，它們是4G的RF（射頻）天線部分（含WiFi、藍(lán)牙、GSM、GPS、FMA）、主芯片與RF模塊、主芯片和DDR(存儲(chǔ)器模塊)模塊。[1]

影響4G PCB的天線總共有4～5條，在Gerber中均主要以阻抗線寬的方式進(jìn)行控制，如圖1。

圖1 手機(jī)天線Gerber圖

2G、3G模式下，完全可以通過阻抗控制來達(dá)到信號的控制，但4G模式下，阻抗控制得當(dāng)并不意味著信號控制就完全可控，這主要是兩方面存在影響：一是信號的趨膚效應(yīng)，二是信號傳輸過程中的衰減。通過分析得知，天線的頻率越大，其信號線路“趨膚效應(yīng)越深”，信號衰減干擾越大，而衰減主要影響有線寬、線距、銅厚度、基材材料、油墨。我們在設(shè)計(jì)中，要注意天線到銅的距離要求，常規(guī)需要大于線寬的1.5倍；天線周圍不能有突起或者尖端位置來避免干擾；為了減少趨膚效應(yīng)的影響，銅厚是越厚越好，線是越寬越好，直流電阻越小越好。

2.2 線路、阻抗和信號總體關(guān)系

天線業(yè)界設(shè)計(jì)早有要求：當(dāng)天線線寬≤300 μm時(shí)，天線距離接地銅面、屏蔽孔等的間距要求≥1.5×線寬 ；天線線寬＞300 μm時(shí)，天線距離接地銅面、屏蔽孔等的間據(jù)要求＞2*線寬；天線設(shè)計(jì)不能有凸出或直角形線路設(shè)計(jì)，以平滑曲線設(shè)計(jì)為最佳；天線的成品線寬至少要大于客戶的原始設(shè)計(jì)，這就要求工程在線寬補(bǔ)償、規(guī)格控制、以及生產(chǎn)控制上做到匹配。我們在開發(fā)中得出的4G產(chǎn)品控制的線寬和阻抗經(jīng)驗(yàn)如下：（1）線寬偏中值上限，阻抗偏下限，能通過認(rèn)證；（2）線寬偏下限，阻抗中值，有可能通不過認(rèn)證；（3）線寬偏下限，阻抗偏上限，認(rèn)證不過的幾率遠(yuǎn)大于第二種情況。下面就具體到從手機(jī)主板的阻抗設(shè)計(jì)、板材等因素來分析怎樣影響手機(jī)阻抗信號衰減。

3 信號影響分析

3.1 阻抗影響信號

在實(shí)際生產(chǎn)中，導(dǎo)線的寬度、厚度、絕緣材料的介電常數(shù)和絕緣介質(zhì)厚度的稍微改變都會(huì)引起特性阻抗值發(fā)生變化.另外特性阻抗值還會(huì)與其他生產(chǎn)因素有關(guān)，所以，為了實(shí)現(xiàn)對特性阻抗的控制，生產(chǎn)者必須了解影響特性阻抗值變化的因素，掌握實(shí)際生產(chǎn)條件，根據(jù)設(shè)計(jì)者提出的要求，調(diào)整各個(gè)工藝參數(shù)，使其變化在所允許的公差范圍內(nèi)，以得到期望的阻抗值。

3.1.1 阻抗控制定義及阻抗計(jì)算公式

隨著科技的發(fā)展，電路板趨向高密度，小體積，導(dǎo)致多層板組裝高速零件時(shí)，訊號線之“特性阻抗”必須控制在一定范圍內(nèi)，以減低線路阻抗，失真，干擾，串音等問題，此種質(zhì)量要求稱為 “阻抗控制”。

目前設(shè)計(jì)的阻抗結(jié)構(gòu)主要兩種，一是微帶線阻抗：外層為阻抗控制的信號層面，它和相連的對照層中間用PP隔開，通常指外層阻抗，如圖2所示；二是帶狀線阻抗﹕內(nèi)層為阻抗線所在層次，它與頂層或底層及相臨的參照層以介電層隔開，H1=H2時(shí)稱為對稱式帶狀線阻抗，當(dāng)H1≠H2時(shí)稱為非對稱式帶狀線阻抗，如圖3所示 。

圖2 微帶線阻抗

圖3 帶狀線阻抗

計(jì)算公式：微帶線阻抗：Z0= [87/(Er +1.41)?]Ln5.98h/(0.8w+t)]

帶狀線（阻抗：Z0= [60/Er?]Ln4h/ [0.67w(0.8+t/w)]

3.1.2 影響阻抗的因素

PCB 在電子電路設(shè)計(jì)上的阻抗與以下因素有關(guān)：

（1）介電常數(shù)（Er）：由原材料決定；（2）絕緣層厚度（H）：由PCB壓合制程能力決定（涉及PP壓合前厚原材料度和殘銅率）；（3）導(dǎo)線寬度（W）：由PCB線路蝕刻制程能力決定；（4）導(dǎo)線厚度即銅厚（T）：由原材料及電鍍制程能力決定；（5）間距（S）：由PCB線路蝕刻制程能力決定。通過分析我們得知，絕緣厚度精度的高低，對阻抗值精度控制是最重要的影響因素，依影響度大小排列順序如下∶絕緣層厚度＞導(dǎo)線寬度＞導(dǎo)線厚度＞介電常數(shù)。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，我們得出，如果線路＜75 μm，則線寬的影響將非常突出，線寬越小，對阻抗影響越明顯。

3.1.3 影響阻抗的各因素之間關(guān)系

通過相關(guān)試驗(yàn)我們得出：

（1）介電常數(shù)Er，與阻抗Z0關(guān)系為，Er越大，阻抗越低，Er越小，阻抗越高；（2）絕緣層厚度H，與阻抗Z0關(guān)系為H，絕緣層厚度越厚，阻抗越高，否則越低；（3）導(dǎo)線寬度W：與阻抗Z0關(guān)系為1/W，線寬越大，阻抗越低，否則越高；（4）導(dǎo)線厚度即銅厚T，與阻抗Z0關(guān)系為1/T，銅厚越厚，阻抗越低，否則越高；⑤間距S：與阻抗Z0關(guān)系為S，間距越大，阻抗越高，否則越低。

影響阻抗的各因素之間關(guān)系列表如下：（↑代表高、大，↓代表低、小）

表1 影響阻抗的各因素之間關(guān)系列

3.1.4 2G、3G與4G產(chǎn)品阻抗影響對比

我們從材料的組成成分，包括玻璃纖維布、樹脂體系，材料成分及介層厚度分別作比較分析得知，2G、3G 與4G產(chǎn)品影響阻抗的因素有著很大的區(qū)別，詳細(xì)見表2。

3.2 Er（介電常數(shù)）影響信號

基板材料的介電常數(shù)是由樹脂、增強(qiáng)材料、填料所組成，因此基板材料的介電常數(shù)可利用如下的公式來進(jìn)行計(jì)算。

表2 2G、3G與4G產(chǎn)品阻抗影響因素比較

Er = ER*VR + EG*VG + EF*VF

ER：樹脂的介質(zhì)常數(shù)；VR：介質(zhì)層中樹脂所占的體積百分比；

EG：樹脂的介質(zhì)常數(shù)；VG：介質(zhì)層中玻璃布所占的體積百分比3.5；

E：填料的介值常數(shù)；VF：介質(zhì)層中填料所占的體積百分比；

在高頻微波的電路板應(yīng)用中，當(dāng)Er越小，其傳送速度越快，因而，利用印刷電路板的低介電常數(shù)，來達(dá)到信號傳播的高速度.這也是為什么高頻微波印刷電路板會(huì)要求低介電常數(shù)的原因。

下面是填料的比較：

圖5 比較差的填料顆粒

圖6 比較好的填料顆粒

材料里不同的增強(qiáng)材料與不樹脂的介電常數(shù)：

3.3 銅厚影響信號

要分析4G主板銅厚對信號的影響，必須明白銅厚在交流、直流狀態(tài)下的阻值關(guān)系：

直流狀態(tài)下，低頻阻值服從歐姆定律Rdc=ρL/s（Ω），模型及計(jì)算公式見圖7；交流狀態(tài)下，高頻阻值服從趨膚效應(yīng)：交流電流流過導(dǎo)體時(shí)，電流方向是交替變化的，電流在導(dǎo)體中所產(chǎn)生的交變磁場對電荷的推斥作用力，迫使電流電荷向?qū)w的表面集中，使得導(dǎo)體的實(shí)際有效載流面積減小。交流電流流過導(dǎo)體時(shí)，發(fā)生電流向?qū)w表面集中的現(xiàn)象，稱之為交流電流的趨膚效應(yīng)[2]；電流離開導(dǎo)體載流面中心向表面集中的程度，可以用趨膚效應(yīng)深度來衡量。趨膚效應(yīng)深度計(jì)算公式及模型見圖8[3]，圖9，信號傳輸頻率與趨膚效應(yīng)關(guān)系見表4。

扁形導(dǎo)線的直流電阻模型及計(jì)算公式為：

圖7 直流電阻模型及計(jì)算公式

表3 材料的介電常數(shù)

扁平導(dǎo)線高頻電阻的模型及計(jì)算公式為：

由于電流的趨膚效應(yīng)，扁平導(dǎo)線高頻電流集中在導(dǎo)線外周向內(nèi)的一個(gè)方形框的面積上，框的寬度等于電流趨膚效應(yīng)的深度。在趨膚效應(yīng)深度小于扁線窄邊高度的1/2時(shí)，方形框的面積可用下式計(jì)算：

圖8 高頻電阻模型及計(jì)算公式

圖9 趨膚效應(yīng)演示圖

表4 信號傳輸頻率與趨膚效應(yīng)關(guān)系

我們在實(shí)際生產(chǎn)中，要注意，針對客戶線路設(shè)計(jì)及稀疏獨(dú)立線路料號于一次銅及二次銅制程需監(jiān)控鍍層厚度均勻性，避免產(chǎn)生線路厚度不均問題，鍍層每增加63.5 μm則阻抗變化0.5 Ω，阻抗計(jì)算時(shí)線路銅的厚度按表五計(jì)算。

表5 銅厚控制范圍

17 μm：（17±1.7）μm；34 μm：（34±3.4）μm。

3.4 線寬影響信號

線寬直接影響阻抗，也影響信號傳輸，工作底片應(yīng)事先補(bǔ)償，以補(bǔ)償蝕刻所發(fā)生的側(cè)蝕，獲得理想線寬，線寬每變化25 μm則阻抗變化6 Ω，這表示從工作底片，影像轉(zhuǎn)移解象度及蝕刻速率均須一一控制，空曠區(qū)根據(jù)內(nèi)外層銅厚不同按表六設(shè)定線寬補(bǔ)償：

表6 銅厚與補(bǔ)償計(jì)算關(guān)系（空曠區(qū)）

線寬的控制涉及到物料選擇、設(shè)備選擇、線路分辨率、蝕刻均勻性控制、面銅均勻性控制、線路補(bǔ)償?shù)戎T多方面，是比較系統(tǒng)的工程。尤其是設(shè)計(jì)線路模塊補(bǔ)償，不同補(bǔ)償值(含獨(dú)立、密集、縱向、橫向布線)要模擬電鍍后的銅厚，LDI曝光蝕刻后對線寬進(jìn)行量測分析，來確定線路的最佳補(bǔ)償值，也就是我們目前大多數(shù)企業(yè)采用的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償法[4]，要以實(shí)際生產(chǎn)狀況可作調(diào)整。

3.5 表銅粗糙度影響信號

在相同頻率下，銅表面粗糙度越大，信號損耗越大，所以我們在實(shí)際生產(chǎn)中盡可能控制表面銅厚的粗糙度，粗糙度在不影響結(jié)合力的情況下越小越好。尼龍膜刷+火山灰處理后表銅粗糙度可控制在3.0 μm以下。

圖10 粗糙度與傳遞損耗關(guān)系

3.6 材料影響信號

3.6.1 理解Df（散失因素）與Dk（介質(zhì)常數(shù)）

Df，最簡單的定義是，訊號線中已漏失到絕緣板材中的能量，對尚存在導(dǎo)體線中能量之比值。

圖11 Df損失正切圖

PCB基板材料的散失因素越大，介質(zhì)層吸收波長和熱損失就大，在高頻下這種關(guān)系就更明顯地表現(xiàn)出來，它直接影響著高頻傳播信號的效率和高頻訊號傳輸?shù)哪芰浚?G產(chǎn)品在工作中常會(huì)發(fā)生各種不當(dāng)?shù)膿p失∶其一是往介質(zhì)板材中漏失；其二是在導(dǎo)體中發(fā)熱的損失；其三是形成電磁波往空氣中的損失。前者可改用Df較低的板材制作高頻電路板，以減少損失。至于導(dǎo)體之損失，則可另以壓延銅箔或低稜線線銅箔，取代明顯柱狀結(jié)晶的粗糙填料 ，以應(yīng)對不可避免的趨膚效應(yīng)。而輻射損失則需另加遮蔽，并導(dǎo)出排放到“接地層”的零電位中，以消除可能的后患。一般影響4G PCB板上，做為區(qū)隔用途的大銅面，其眾多接地用的圍墻孔，即可將攔下的電磁波，消彌之于接地層中，而不致于傷害到使用者的腦袋。

Dk，介質(zhì)在外加電場時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電荷而削弱電場，原外加電場與最終介質(zhì)中電場比值即為介值常數(shù)。此詞另有同義字“容電率”由字面上可體會(huì)到與電容之間的關(guān)系與含義。當(dāng)多層板絕緣板材之“容電率”較大時(shí)，即表示訊號線中的傳輸能量已有不少被蓄容在板材中，如此將造成“訊號完整性” 的質(zhì)量不佳，與傳播速率的減慢。換言之即表示已有部分傳輸能量被不當(dāng)浪費(fèi)或容存在介質(zhì)材料中了。所以絕緣材料的“介質(zhì)常數(shù)”愈低者，其對訊號傳輸?shù)馁|(zhì)量才會(huì)更好。目前各種板材中以PTFE（鐵氟龍），在1 MHz頻率下所測得介質(zhì)常數(shù)為2.5，F(xiàn)R-4約為4.7。

事實(shí)上，絕緣板材之所以會(huì)出現(xiàn)這種不良的“容電”效果，主要源自材板材本身分子中的極性，進(jìn)而造成平行金屬板間之介質(zhì)材料，對靜電電荷產(chǎn)生“蓄或容”的負(fù)面效果，極性愈大時(shí)Dk也愈大，容蓄的靜電電荷也愈多。純水本身的Dk高達(dá)75，故板材必須盡量避免吸水，才不致升高Dk而減緩了訊號的傳輸速度。

3.6.2 不同材料的阻抗與信號衰減

首先說明的是，有關(guān)信號損耗：2G、3G產(chǎn)品的信號損耗≤3.5 db；4G產(chǎn)品的信號損耗≤2.5 db。

同時(shí)對材料1、材料2、材料3三種材料生產(chǎn)的產(chǎn)品各取3PCS，同一個(gè)位置進(jìn)行阻抗測量，數(shù)據(jù)如下：

表8 不同材料阻抗測試數(shù)據(jù)

3.7 阻焊油墨影響信號

從市場上主芯片的不同頻率解析分析得知，主頻率＞1.7GHz時(shí)，使用含溴（Br）含量＜0.001%的油墨。溴的折光率：1.664，影響信號的損耗。

4 結(jié)語

2G、3G主板向4G主板轉(zhuǎn)換，運(yùn)用差分線傳輸高速信號，一方面在對PCB系統(tǒng)的信號完整性和低功耗等方面大有裨益，同時(shí)也給 PCB設(shè)計(jì)水平和生產(chǎn)制造水平提出了更高要求。一方面設(shè)計(jì)者需要從線路設(shè)計(jì)，阻抗控制設(shè)計(jì)上考慮更多的因素，包括介電常數(shù)、絕緣層厚度、導(dǎo)線寬度、導(dǎo)線厚度等，稍微改變都會(huì)引起特性阻抗值發(fā)生變化。另一方面生產(chǎn)者也必須了解影響信號衰減的因素，包括板材的Df（散失因素）與Dk（介質(zhì)常數(shù)）、材料的樹脂類型及填料類型、油墨的選擇、銅厚、線寬線距控制等，更要掌握實(shí)際生產(chǎn)條件，根據(jù)設(shè)計(jì)者提出的要求，合理選擇材料及油墨類型能，調(diào)整各個(gè)工藝參數(shù)，使信號強(qiáng)度在所允許的范圍內(nèi)，以得到期望的效果?？傊?，要想找出合理有效的解決辦法，仔細(xì)分析出信號衰減現(xiàn)象的原因，還要不斷把工作中積累的一些經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)，并上升為理性認(rèn)識，才能夠取得滿意的效果。

表9 不同材料不同頻率下的信號衰減

[1] 岳月華. 手機(jī)天線HAC方案研究與設(shè)計(jì)[D]. 蘇州大學(xué). 2011.

[2] 石東平,唐祖義,陳武. 趨膚效應(yīng)的理論研究與解析計(jì)算[N]. 重慶文理學(xué)院學(xué)報(bào)(自認(rèn)科學(xué)版).2009,28(5).

[3] 張小林, 徐精華. 趨膚效應(yīng)下傳輸線高頻交流電阻的分析[J]. 江西科學(xué), 2008, 6∶873-875.

[4] 冉彥祥,孟昭光.一種精細(xì)線路的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償制作方法[P]. 中國,發(fā)明專利,ZL201410195513.2. 2014.5.

孟昭光，高級工程師，從事PCB制造技術(shù)研發(fā)工作，主要研究超薄超細(xì)任意互聯(lián)智能手機(jī)主板及4G終端產(chǎn)品的開發(fā)工作。。

Analysis of factors influencing the 4G PCB signal loss

MENG Zhao-guang RAN yan-xiang YE zhi

This article mainly analyzes what affect the 4G PCB signal from line design, the influence of 4G PCB impedance control, dielectric constant, thickness of copper conductor, conductor linewidth, table copper roughness, printing ink types, etc. The purpose is to make the 4G PCB board in the production process can be completed smoothly, and hope it'll be helpful for PCB manufacturing colleagues.

Loss of Signal; Impedance Control; 4g Antenna; Materials; Copper Conductor Thickness; Conductor Line Width; Dielectric Constant; The Dielectric Constant

TN41

A

1009-0096（2015）03-0001-08