【经验】微波PCB印制板选用,结构设计,微带线制造特性阻抗加工经验

2019-09-08 鸿运通

通信业的快速进步,使原有的民用通信频段显得非常的拥挤,某些原军事用途的高频通信,部分频段从21世纪开始,逐渐让位给民用,使得民用高频通信获得了超常规的速度发展。高频微波PCB印制板的应用也越来越广泛,如何选择合适的微波PCB印制板和相关设计尤其重要,有着十多年加工高频微波PCB印制板鸿运通小编为你分享一些自己的经验。


1.   微波印制板选用之一

微波高频介质板的选用中通常应当考虑的因素包括:电性能,温度稳定性,频率稳定性和热膨胀系数(CTE)。

 1)   电性能。通常,实现相同的功能,用高介电常数的材料可以使电路做得更小。

 2)   温度稳定性。温度稳定性是指介电常数随温度变化的稳定程度。在设计对温度变化较为敏感的电路如:带通滤波器,压控振荡器及天线时,随温度变化较大的材料会带来许多问题。

 3)   频率稳定性。频率稳定性是指介电常数随频率变化的程度。该项指标是根据IPC-650 2.5.5.5.1 , 在500MHZ到 10GHZ范围内测量的。

 4)   热膨胀系数。热膨胀系数是衡量材料随温度变化的机械特性。IPC-TM-650 2.4.24.规定了板材的CTE的测量方法。

 

2.   微波印制板选用之二

 1)   铜箔种类及厚度选择。目前最常用的铜箔厚度有35μm和18μm两种。

 2)   孔适应性选择。一是孔化与否对基材选择的影响,对于要求通孔金属化的微波板,基材Z轴热膨胀系数越大,意味着在高低温冲击下,金属化孔断裂的可能性越大,因而在满足介电性能的前提下,应尽可能选择Z轴热膨胀系数小的基材;二是湿度对基材板选择的影响,基材树脂本身吸水性很小,但加入增强材料后,其整体的吸水性增大,在高湿环境下使用时会对介电性能产生影响,因而选材时应选择吸水性小的基材,或采取结构工艺上的措施进行保护。

 3)   可加工性选择。随着设计要求的不断提升,一些微波印制板基材带有铝衬板。此类带有铝衬基材的出现给制造加工带来了额外的压力,图形制作过程复杂化,外形加工复杂化,生产周期加长,因而在可用可不用的情况下,尽量不采用带铝衬板的基材。

 

3.   结构设计问题

由于微波板的外形越来越复杂,而且尺寸精度要求高,同品种的生产数量很大,必须要应用数控铣加工技术。因而在进行微波板设计时应充分考虑到数控加工的特点,所有加工处的内角都应设计成为圆角,以便于一次加工成形。

微波板的结构设计也不应追求过高的精度,因为非金属材料的尺寸变形倾向较大,不能以金属零件的加工精度来要求微波板。

外形的高精度要求,在很大程度上可能是因为顾及当微带线与外形相接的情况下,外形偏差会影响微带线长度,从而影响微波性能。

实际上,参照国外的规范设计,微带线端距板边应保留0.2mm的空隙,这样即可避免外形加工偏差的影响。

 

4.   微带线制造特性阻抗问题

Z0 = ( 87 / Öεr +1.41 )l n [ 5.98 H / (0.8W+T)]

      式中:εr-介电常数;

H   : 电介质层厚度(mm);

W  : 印制导线宽度(mm);

T   : 印制导线厚度(mm)。

 

对于单、双面微带图形制造而言,在高频基材选定后,特性阻抗仅与导线宽度有关。而对于微波多层印制板的制造,特性阻抗在与导线制作精度密切相关的同时,也受层间介质厚度及均匀性的影响。


当选定微波板基板材料后,介电常数εr变化是极小的(对如美国ROGERS公司提供之产品而言),介质厚度(H)之变化也是很小的,至于导线厚度也是容易控制的(铜箔厚度35μm或18μm)。


但导线宽度(W)的控制即使允许变化+10%(按照IPC-HF-318A “微波印制板成品检验和实验规范”标准,规定微带线侧蚀每边不得超过板面总铜箔厚度,或线宽的10%,取二者当中较小的值。),有时也是很难控制的 。


这里既有模版光绘制作、图形转移和图形蚀刻等所带来的线宽问题,又有导线上缺陷(缺口、凸出、针孔和凹陷等)问题。

导线的缺陷会改变导线的截面积,或者说会改变导线的宽度和厚度(特别是导线宽度)尺寸。其结果,使有缺陷处的特性阻抗值不同于完整导线处的特性阻抗值,将造成缺陷处的不同电压信号(或信号反射),最终可能导致信号传输的失真。


因此,对于高频信号的传输线,不仅对导线的整体长度上宽度和厚度有严格的控制,而且对导线整体长度上的缺陷也必须加以严格控制,才能产生出合格的或规定的Z0值的信号传输线来。

对于信号传输线的缺陷之控制,主要是:

(1)工作室的净化控制;

(2)曝光底片的保管于维护;

(3)铜箔的表面处理;

(4)显影和蚀刻的操作。


因此,从某种意义上来看,制造生产信号传输线的微波印制板,实质上是如何加工出理想或完善导线宽度的问题。从另外一种角度而言,利用导线宽度的调整,是改变和控制特性阻抗Z0值的最有效和最重要的方法。


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