中兴--射频板PCB工艺设计规范.doc

内部公开印制电路板设计规范工艺性要求（仅适用射频板） 内部公开 Q/ZX 04.100.12-2004 目 次前言 II1范围12规范性引用文件13术语和定义14印制板基板35PCB设计基本工艺要求56拼板设计67射频元器件的选用原则78射频板布局设计79射频板布线设计910射频PCB设计的EMC1411射频板ESD工艺1812表面贴装元件的焊盘设计1913射频板阻焊层设计19附录A21附录B23附录C24附录D27附录E31附录F32附录G33附录H39 I 前 言 III内部公开 Q/ZX 04.100.12-2004 印制电路板设计规范工艺性要求（仅适用射频板） 1 范围本标准规定了射频电路板设计应遵守的基本工艺要求。本标准适用于射频电路板的PCB设计。2 规范性引用文件IPC-SM-782 Surface Mount Design and Land Pattern StandardIPC 2252-2002 Design Guide for RF-Microwave Circuit Boards3 术语和定义 下列术语和定义适用于本标准。3.1 微波 Microwaves微波是电磁波按频谱划分的定义,是指波长从1m至0.1mm范围内的电磁波, 其相应的频率从0.3GHz至3000GHz。这段电磁频谱包括分米波(频率从0.3GHz至3GHz)厘米波(频率从3GHz至30GHz)毫米波(频率从30GHz至300GHz)和亚毫米波(频率从300GHz至3000GHz,有些文献中微波定义不含此段)四个波段（含上限，不含下限）。具有似光性、似声性、穿透性、非电离性、信息性五大特点。3.2 射频 RF(Radio Frequency)射频是电磁波按应用划分的定义,专指具有一定波长可用于无线电通信的电磁波。频率范围定义比较混乱，资料中有30MHz至3GHz, 也有300MHz至40GHz,与微波有重叠;另有一种按频谱划分的定义, 是指波长从1兆m至1m范围内的电磁波, 其相应的频率从30Hz至300MHz；射频（RF）与微波的频率界限比较模糊，并且随着器件技术和设计方法的进步还有所变化。3.3 射频PCB及其特点 考虑PCB设计的特殊性,主要考虑PCB上传输线的电路模型。由于传输线采用集总参数电路模型和分布参数电路模型的分界线可认为是l/0.05.(其中,l是几何长度； 是工作波长).在本规范中定义射频链路指传输线结构采用分布参数模型的模拟信号电路。PCB线长很少超过50cm,故最低考虑30MHz频率的模拟信号即可；由于超过3G通常认为是纯微波,可以考虑倒此为止；考虑生产工艺元件间距可达0.5mm，最高频率也可考虑定在30GHz，感觉意义不大。综上所述，可以考虑射频PCB可以定义为具有频率在30MHz至6GHz范围模拟信号的PCB，但具体采用集总还是分布参数模型可根据公式确定。由于基片的介电常数比较高，电磁波的传播速度比较慢，因此，比在空气中传播的波长要短，根据微波原理，微带线对介质基片的要求：介质损耗小，在所需频率和温度范围内，介电常数应恒定不变，热传导率和表面光洁度要高，和导体要有良好的沾附性等。对构成导体条带的金属材料要求：导电率高电阻温度系数小，对基片要有良好的沾附性，易于焊接等。3.4 阻抗 impedance规范中特指传输线的特征阻抗,定义为传输线电压和电流决定的传输线的分布参数阻抗。通常用Z0表示。表达式为：在交流电路中电流所遇到的所有阻抗的度量单位。电路中某点电流与其电动势之比；阻抗通常表示为 z=r+ jx，这里 r 是欧姆电阻抗, x 是电抗，可以是感抗或容抗；j是1的平方根。3.5 微带线 Microstrip一种传输线类型。由平行而不相交的带状导体和接地平面构成。微带线的结构如图1所示它是由导体条带（在基片的一边）和接地板（在基片的另一边）所构成的传输线。微带线是由介质基片，接地平板和导体条带三部分组成。在微带线中，电磁能量主要是集中在介质基片中传播的如图2所示。 图1 图23.6 趋肤效应 趋肤效应-又叫集肤效应，当高频电流通过导体时，电流将集中在导体表面流通，这种现象叫趋肤效应。在高频下，电流仅在导体表面的一个薄层内传输。3.7 耗散因数(介质损耗角) Dissipation factor 损耗电流与充电电流的比值。耗散因数或损耗角正切，tan，表示为”/，和”为介电常数真实和虚幻的部分（见介电常数），损耗角正切是一个参数，用来示意绝缘体或电介质在AC信号中吸收部分能量的趋向。3.8 介电常数 Permittivity自由空间与电介质内电磁传播波长的均方根之比；一般而言，材料的介电常数e,由实部和虚部构成；e 的实部和虚部定义为 e 和 e。3.9 屏蔽罩 EMI shielding屏蔽罩是无线设备中普遍采用的屏蔽措施。其工作原理如下：当在电磁发射源和需要保护的电路之间插入一高导电性金属时，该金属会反射和吸收部分辐射电场，反射与吸收的量取决于多种不同的因素，这些因素包括辐射的频率，波长，金属本身的导电率和渗透性，以及该金属与发射源的距离。屏蔽的具体过程如下图3所示：入射波反射波屏蔽层次级反射波次级入射波穿透能量图34 印制板基板4.1 射频板材的选用原则4.1.1 微波频段PCB板不仅是电路的支撑体，还是微波电磁场的传输媒体。所以，射频电路PCB最好选择高频、微波板材。4.1.2 射频电路PCB上的印制线除了一般的原则-考虑电流大小外，还必须考虑印制线的特性阻抗，严格进行阻抗匹配，在PCB制作时必须考虑印制线的阻抗控制。印制线的特性阻抗与PCB的材料特性及物理参数相关，所以PCB设计人员必须清楚PCB板材的性能。4.1.3 射频电路板一般都具有高频高性能的特点，通常选择介电常数精度高、特性稳定性且损耗小的基材。此外，基材必须符合可生产加工，如高温回流焊接等。目前我司常用的射频基材为FR4,TACONIC和ROGERS公司的系列板材。详见附录A.4.1.4 FR4(阻燃型覆铜箔环氧玻璃布层压板)，介电常数在1GHz频率下测试为Er=4.30.2，玻璃化温度Tg=135。普通板材使用的板料有以下两种：普通板料,成本低，工艺成熟；UV板料，俗称黄料板，有UV-BLOCKING阻挡紫外线的功能，主要用于PCB板的外层。性能稍优于普通板料。4.1.5 TACONIC公司品牌好，规格齐全，价格相对FR4高些。4.1.6 ROGERS公司的材料介电常数精度高，温度稳定性好，损耗小，常用于大功率电路，并且PCB制造、加工工艺与FR4相同，加工成本低，但铜箔的附着力小。4.1.7 常用高频板基材及其性能如表1所示。表1 常用高频板基材及其性能材料种类NELCO N4000-13普通 FR4ROGERS RO4350 GETEK ML-200DTACONIC TLC32组成及特点玻璃纤维+ 改性环氧树脂 高Tg材料环氧树脂加玻璃纤维布层压板。陶瓷颗粒填充材料+ PPO树脂低Dk，Df材料玻璃纤维+ 热固性环氧树脂+ PPO树脂 低Dk，Df材料玻璃纤维+ 聚四氟乙烯低Dk，Df材料电性能=3.7(1GHz)tan=0.009=4.3(1GHz)=3.48(10GHz)tan=0.004=3.7(1GHz)tan=0.0092=3.2(10GHz)tan=0.003玻璃化温度（Tg）Tg= 210 C (DSC)135C(普通) 175C(高TG) (DSC)Tg280 C (TMA)Tg=180 C Tg=210 C 可加工性 （类比FR4）层压时对压机的升温控制要求较高可加工性好，各项指标均能符合加工要求。TG值稍低。可加工性差，对切削工具磨损大，铜箔的抗剥能力差层压时对压机的升温控制要求较高，对切削工具有一定的磨损，铜箔的抗剥能力差可加工性差，材料软，不适合单独做厚板主要 用途手机，服务器，天线，网络计算机，适于高速信号传输手机，工作基站，天线，计算机，适于高速信号传输手机，工作基站，天线，雷达，微波，适于高速信号传输手机，工作基站，天线，雷达，微波，适于高速信号传输天线，雷达，微波，适于高速信号传输材料生产商NELCO多家ROGERSGETACONIC价格（FR4 X倍数）3-41106-710设计要求树脂含量稳定，介电常数变化小， 对介质层调整地范围宽型号、厚度种类最多，能符合各种基本要求，但DK值较大，设计时受到限制。树脂含量稳定，介电常数变化小， 对介质层调整地范围宽树脂含量稳定，介电常数变化小， 但半固化片只有0。1mm规格，对介质层调整地范围窄多层板设计时使用的半固化片的介电常数，按混压方式计算出实际的介电常数和阻抗值 4.2 PCB厚度4.2.1 PCB厚度，指的是其标称厚度（即绝缘层加完成铜箔的厚度）。4.2.2 射频印制电路板PCB厚度通常采用0.2mm的整数倍，如0.8mm, 1.0mm, 1.6mm等，有时也用英寸表示印制电路板板材厚度。具体厚度应该按照阻抗控制计算出的结果为准。4.3 铜箔厚度 PCB铜箔厚度指成品厚度，图纸上应该明确标注为成品厚度（Finished Conductor Thickness）。射频板要求铜箔均匀且薄。均匀的铜箔其电阻温度系数均匀，且使信号传输损失更小，详见附录B。 4.4 PCB制造技术要求4.4.1 PCB制造技术要求一般标注在钻孔图上，主要有以下项目（根据需要取舍）：a） 基板材质、厚度及公差；b） 铜箔厚度：注：铜箔厚度的选择主要取决于导体的载流量和允许的工作温度，射频板需严格控制铜箔厚度的制造精度。c）焊盘表面处理注：一般有以下几种：1）一般采用喷锡铅合金HASL工艺，锡层表面应该平整无露铜。只要确保6个月内可焊性良好就可以。为获得更好的趋肤效应,可对射频板选择化学镀金工艺或OSP工艺。同时有助于减少环境污染。2）如果PCB上有细间距器件（如0.5mm间距的BGA）,或板厚0.8mm，可以考虑化学（无电）镍金（Ep.Ni2.Au0.05）。还有一种有机涂覆工艺(Organic Solderability Preservative 简称OSP)，由于还存在可焊期短、发粘和不耐焊等问题，暂时不宜选用。3）对板上有裸芯片（需要热压焊或超声焊，俗称Bonding）或有按键（如手机板）的板，就一定要采用化学镀镍、金工艺（Et.Ni5.Au0.1）。有的厂家也采用整板镀金工艺（Ep.Ni5.Au0.05）处理。前者表面更平整，镀层厚度更均匀、更耐焊，而后者便宜、亮度好。从成本上讲，化学镀镍、金工艺（Et.Ni5.Au0.1）比喷锡贵，而整板镀金工艺则比喷锡便宜4）对印制插头，一般镀硬金，即纯度为99.5%-99.7%含镍、钴的金合金。一般厚度为0.50.7m,标注为：Ep.Ni5.Au0.5。 镀层厚度根据插拔次数确定，一般 0.5m厚度可经受500次插拔，1m厚度可经受1000次插拔。d）阻焊层 推荐射频PCB板的阻焊厚度范围为0.5mil-1.0mil。e）丝印字符1）要求对一般涂敷绿色阻焊剂的板，采用白色永久性绝缘油墨；对全板喷锡板，建议采用黄色永久性绝缘油墨，以便看清字符；对于RO4350板材，无阻焊情况下，字符建议采用绿色或红色永久性绝缘油墨。优先选用反差较大的颜色。2）射频单板上的位号丝印尽量不要放置在锡面或基材上，以防止PCB加工过程中脱落。如因微带线上位号丝印不可避免需放置在锡面或基材上，建议在位号丝印区加阻焊进行控制。f）成品板翘曲度注：请参照公司质量部门所提供的标准。g）成品板厚度公差注：按行业或业界标准 板厚3W。如图13所示。设计上优选圆角。9.2.3 微带线布线9.2.3.1 PCB顶层走射频信号，射频信号下面的平面层必须是完整的接地平面，形成微带线结构。详见附录E。9.2.3.2 如图14所示。要保证微带线的结构完整性，有以下要求：a） 微带线两边的边缘离地平面边缘至少要有3W宽度；b） 层厚0.8mm、且在3W范围内，不得有非接地的过孔；c） 微带线边沿电场向两侧延伸，非耦合微带线间要加地铜箔，并在地铜箔上加地过孔。d） 微带线至屏蔽壁距离应保持为2W以上。注：W为线宽。图14 微带线的结构完整性9.2.4 微带线耦合器主要用于检测大功率信号的强度、驻波。在要求不高且耦合度大于20dB的情况下可用两条靠近的PCB走线做成微带线耦合器，如图15所示。当要求有定向性时，耦合长度L需满足 L=/4，图15中W为耦合线条的宽度，原则上通常微带线阻抗为50。 图15 微带线耦合器 图16 微带线功分器9.2.5 微带线功分器在要求不高的情况下，可以用PCB走线做成微带线功分器，如图16所示，要求阻抗满足下列要求：Z0=50，Z1=21/2Z0=70.0，从功率合成点B到电阻C点之间的走线距离LBC应满足：LBC=/4，其中电阻阻值为100。9.2.6 /4微带线9.2.6.1 周期正弦被间隔/4（即900）处的两点，互相之间的影响最小。当/4微带线一端直接接地，或通过高频滤波电容（如100PF）接地，即一端交流接地时，另一端相当于交流开路，对线长等于/4的信号来说具电感效应，其典型应用是小信号放大管或功率管的偏置与供电电路，如图17所示。详细基础内容参见附录F。图17 功放管偏置走线9.2.6.2 对应PCB设计推荐设计如下：a）功放管输出端偏置走线长度为/4，等价于最近的高频滤波电容到信号走线或匹配铜箔的距离。b）功放管输入端偏置走线长度/4，等价于最近的高频滤波电容到信号走线或匹配铜箔的距离。c）并联的组合滤波电容应排列在一起，要注意排列次序，/4的高阻线要直接从高频滤波电容的脚上拿出来。9.2.7 带状线布线9.2.7.1 射频信号有时要从PCB的中间层穿过，常见的为从第三层走，第二层和第四层必须是完整的接地平面，即偏心带状线结构。9.2.7.2 如图18所示，应保证带状线的结构完整须要求：a) 带状线两边的边缘离地平面边缘至少3W宽度，且在3W范围内，不得有过孔；b) 禁止射频信号走线跨第二层或第四层的地平面缝隙。图18 带状线布线9.2.8 射频信号走线两边包地铜箔要求接地铜箔到信号走线间隙=1.5W，地铜箔边缘加地线孔，孔间距小于/20，均匀排列整齐。地线铜箔边缘要光滑、平整、禁止尖锐毛刺。除特殊用途外，禁止射频信号走线上伸出多余的线头。9.2.9 渐变线一些射频器件封装较小，SMD焊盘宽度可能小至12mils，而射频线宽可能达50mils，建议选用渐变线，禁止线宽突变。渐变线如图19所示。图19 渐变线9.2.10 布线范围 考虑到PCB板内开孔器件的射频走线的匹配，开口槽内铜距开孔边尺寸（见图20）最小为10mil，否则PCB无法加工。其他内外层线路及铜箔到板边的距离参考PCB工艺设计规范。图20 射频单板开口槽内铜箔离孔边间距9.3 大面积电源区和接地区的设计 9.3.1 大面积电源区和接地区的元件连接焊盘，应设计成如图21所示形状，以免大面积铜箔传热过快，影响元件的焊接质量，或造成虚焊。图21 花焊盘的设计9.3.2 对于有电流要求的特殊情况允许使用阻焊膜限定的焊盘。对于射频板的特殊要求不能使用花焊盘隔热设计的必须与工艺人员充分沟通。对于隔热的其他设计要求，具体见Q/ZX 04.100.2.印制电路板设计规范工艺性要求。9.3.3 对射频电路传输线、微带线部分，建议采用绿油桥(焊坝solder dam）隔开大面积接地区或器件焊盘，防止可能出现的少锡等工艺缺陷。如图22所示。图22 射频走线上绿油桥覆盖9.3.4 功放板中部分器件需要手工焊接，包括功放管焊盘、SMA微带插座焊盘、及2个单板之间的飞线连接处，如图2325所示，建议焊盘间的绿油阻焊桥适当远离焊盘位置，以防止手工焊接时不良。 图23功放管焊盘 图24 SMA微带插座焊盘 图25 飞线连接焊盘9.3.5 射频器件大面积接地铜箔要求涂阻焊（绿油桥），以防止可能出现的器件偏位、虚焊等工艺缺陷。阻焊（绿油桥）设计原则上要求大面积铜箔水平方向和垂直方向不少于一条绿油桥，绿油桥的宽度需设计为0.1mm或以上。9.3.6 典型射频电路隔热设计如图26所示。 图26 典型射频电路隔热设计地层10 射频PCB设计的EMC 10.1 层分布10.1.1 双面板，顶层为信号层，底面为地平面。10.1.2 四层板，顶层为信号层，第二层为地平面，第三层走电源、控制线。特殊情况下（如射频信号线要穿过屏蔽壁），在第三层要走一些射频信号线。每层均要求大面积敷地。10.2 接地10.2.1 大面积接地为减少地平面的阻抗，达到良好的接地效果，建议遵守以下要求：a) 射频PCB的接地要求大面积接地；b) 在微带印制电路中，底面为接地面，必须确保光滑平整；c) 要将地的接触面镀金或镀银，导电良好，以降低地线最抗；d) 使用紧固螺钉，使其与屏蔽腔体紧密结合，紧固螺钉的间距小于/20（依具体情况而定）。10.2.2 分组就近接地按照电路的结构分布和电流的大小将整个电路分为成相对独立的几组，各组电路就近接地形成回路，要调整各组内高频滤波电容方向，缩小电源回路。注意接地线要短而直，禁止交叉重叠，减少公共地阻抗所产生的干扰。10.2.3 射频器件的接地 表面贴射频器件和滤波电容需要接地时，为减少器件接地电感，要求：a) 至少要有2根线接铺地铜箔；b) 用至少2个金属化过孔在器件管脚旁就近接地。c) 增大过孔孔径和并联若干过孔。d) 有些元件的底部是接地的金属壳，要在元件的投影区内加一些接地孔，表面层不得布线。10.2.4 微带电路的接地微带印制电路的终端单一接地孔直径必须大于微带线宽，或采用终端大量成排密布小孔的方式接地。10.2.5 接地工艺性要求a) 在工艺允许的前提下，可缩短焊盘与过孔之间的距离；b) 在工艺允许的前提下，接地的大焊盘可直接盖在至少6个接地过孔上（具体数量因焊盘大小而异）；c) 接地线需要走一定的距离时，应缩短走线长度，禁止超过/20，以防止天线效应导致信号辐射；d) 除特殊用途外，不得有孤立铜箔，铜箔上一定要加地线过孔；e) 禁止地线铜箔上伸出终端开路的线头。10.3 屏蔽10.3.1 射频信号可以在空气介质中辐射。空间距离越大，工作频率越低，输入输出端的寄生耦合就越小，隔离度则越大。PCB典型的空间隔离度约为50dB。10.3.2 敏感电路和强烈辐射源电路要加屏蔽，但如果设计加工有难度时（如空间或成本限制等），可不加，但要做试验最终决定。这些电路有：a) 接收电路前端是敏感电路，信号很小，要采用屏蔽。b) 对射频单元和中频单元须加屏蔽。接收通道中频信号会对射频信号产生较大干扰，反之，发射通道的射频信号对中频信号也会造成辐射干扰。c) 振荡电路：强烈辐射源，对本振源要单独屏蔽，由于本振电平较高，对其他单元形成较大的辐射干扰。d) 功放及天馈电路：强烈辐射源，信号很强，要屏蔽。e) 数字信号处理电路：强烈辐射源，高速数字信号的陡峭的上下沿会对模拟的射频信号产生干扰。f) 级联放大电路：总增益可能会超过输出到输入端的空间隔离度，这样就满足了振荡条件之一，电路可能自激。如果腔体内的电路同频增益超过3050dB，必须在PCB板上焊接或安装金属屏蔽板，增加隔离度。实际设计时要综合考虑频率、功率、增益情况决定是否加屏蔽板。g) 级联的滤波、开关、衰减电路：在同一个屏蔽腔内，级联滤波电路的带外衰减、级联开关电路的隔离度、级联衰减电路的衰减量必须小于3050dB。如果超过这个值，必须在PCB板上焊接或安装金属屏蔽板，增加隔离度。实际设计时要综合考虑频率、功率、增益情况决定是否加屏蔽板。h) 收发单元混排时应屏蔽。i) 数模混排时，对时钟线要包地铜皮隔离或屏蔽。10.4 屏蔽材料和方法10.4.1 常用的屏蔽材料均为高导电性能材料，如铜板、铜箔、铝板、铝箔。钢板或金属镀层、导电涂层等。10.4.2 静