保持混合堆叠射频 PCB 的成本合理

在当今射频技术的进步和各种新兴射频应用的推动下，该行业正在转向混合分层或堆叠式 PCB。

然而，出现了关键的问题：您应该在哪一层使用哪种材料才能将成本保持在合理的水平以及特定材料在给定层上的有效性如何?有哪些权衡?

除了这些有问题的领域之外，射频系统 OEM 采取额外的谨慎措施也是明智的，因为每一层都有不同的频率。因此，您必须在每一层使用某些精心挑选的 PCB 材料。当某些层使用错误的材料时，可能会产生成本和缺陷。

目前的PCB材料有FR-4、复合环氧材料(CEM)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚酰亚胺材料、液晶聚合物(LCP)，如图1表所示，以及铜、铝、铁等金属。 RF 系统 OEM 需要很好地掌握在特定层使用正确和错误的材料。否则，它们可能会产生额外的总体成本以及性能问题和缺陷。

图 1：当前 PCB 材料

多年来，FR-4 一直是各种 PCB 应用的传统材料。然而，它仅限于 10 GHz，并且具有一些固有的限制。超过 10 GHz 时，FR-4 由于以下因素开始失效。

FR-4 在较高频率下的阻抗控制较差。在较高频率下，阻抗变得不稳定，介电常数 (Dk) 值可能变化高达 10%，而使用合适的材料时介电常数 (Dk) 值变化为 2%。

它还具有高耗散损耗 (Df)，导致高频下的高信号损耗。 FR-4 的 Df 值为 0.02，而高速材料的 Df 值为 0.004。 FR-4中的Df随着频率的增加而增加，从而导致更高的损耗。

另一方面，PTFE 高速材料的 Dk 与 FR-4 相当，但绝缘稳定性高且 Df 低，从而导致信号损失低，尤其是在较高频率下。

第三，金属材料有铁、铝、铜等，但铜仍然是最常用的金属材料。

介电材料选择

正如我们所说，FR-4 是一种使用率很高、用途广泛的 PCB 材料。它易于使用且经济高效，但具有一定的性能限制。其他材料更昂贵，不易获得，并且许多供应商不提供以及其他可能的限制。

一种折衷方案是在 PCB 叠层中使用多种材料。在适用的情况下使用 FR-4，并在具有高频电路的层上使用高频材料，例如 PTFE。这似乎是一个很好的解决方案。根据层总数和其他几个关键因素，具有两层 PTFE 层和两层 FR-4 层的混合 PCB 的成本可能比所有四层 FR-4 层高出几倍。

然而，这种方法也存在挑战。成本还是比单纯使用FR-4高很多。很少有供应商提供混合堆叠，而能够在整个过程中选择和控制混合堆叠的供应商就更少了。在叠层中混合具有不同热膨胀系数 (CTE) 的两种不同介电材料会给控制 PCB 上可接受的翘曲和保持光滑表面带来挑战，这会影响材料的 Dk 值。

某些层使用了错误的材料

叠层中的某一层可能会意外使用错误的材料。例如，假设一位经验不足的工程师可能无意中使用了 FR-4，而实际上应该使用更有效的材料，那么 RF 信号恶化将会非常严重。性能将受到不利影响。

此外，创建堆栈时可能会出现以下错误。不正确的层数可能会影响成本、信号完整性、热管理和工作频率等因素。

材料选择不当会影响成本、散热、信号损失、均匀性能和长期可靠性。电源、接地和相邻层可能会受到去耦的影响。您可能正在处理不正确的电源层和接地层。除了其他几个关键功能外，这些层还提供高频和时变信号返回部分以及去耦噪声。

还有一个不正确的图层分配。接地层或电源层用作高速射频电路中的参考层。没有参考平面或分割平面的信号层可能会导致意外的信号完整性问题。最后，不正确的通过分配可能会导致几个问题，

图 2 显示了较差的 RF 层叠。请注意，当仅在顶层和底层使用 RF 电介质就足够时，在两个中间层上不必要使用 RF 电介质。不必要地使用射频电介质会使 PCB 的成本增加数倍。另请注意，L5 和 L6 都是信号层，中间没有参考地或电源层。这会导致 L6(射频信号层)的射频性能较差。

图 2：较差的射频堆叠

最终光洁度和翘曲

除了所选材料之外，混合堆叠射频 PCB 还需要考虑最终的表面光洁度。它们位于 PCB 的顶部和底部层。

射频高性能电路大部分采用沉银。它比无铅 PCB 标准化学镀镍沉金 (ENIG) 具有更好的导电性和性能。 然而，浸银也存在一些问题。

首先，它很容易失去光泽，问题是它的外观是否会对性能产生不利影响。 此外，PCB 工厂通常不提供浸银，这是另一个缺点。

由于不同的材料类型在不同的PCB层中具有不同的 CTE，因此板翘曲也是一个问题。这些 PCB 必须完全平坦;不能有翘曲。值得注意的是，所有 RF PCB 均用螺钉固定在重型金属屏蔽板上，如图 3 所示。

当 PCB 用螺钉固定到防护罩上时，翘曲可能会导致问题。随着PCB翘曲，板走线和过孔开裂的可能性很高。

因此，在安装屏蔽之前采取措施防止组装好的 PCB 变形非常重要。

图 3：PCB 用螺钉固定在重型金属屏蔽板上

检查正确的堆叠

图 4 显示了正确且适当的混合六层堆叠RF PCB。在最后一列中，它显示了每层不同但正确的 PCB 介电材料。 它的设计和组装需要精确的团队合作。在这里，PCB 叠层由 RF 设计和布局工程师以及 PCB 工厂定义，所有这些结合起来以实现正确的叠层。

高频电介质和表面光洁度选择的成本可能会使 PCB 成本增加数倍。与在所有层上使用 FR-4 相比，在所有层上使用 PTFE 的 PCB 的成本可能是 10 倍或更高。

图 4：正确且正确的混合六层堆叠 RF PCB

一般来说，有电源层和接地层、标准性能走线层介电层，然后是“高性能”层。通常，FR-4 可用于除预期信号速度超过 10 GHz 的性能层之外的所有层。电路示例可以是任何家用电器，甚至是 WiFi 设备。信号损耗、回波损耗、噪声和反射成为射频、微波和其他高频设备的关键性能标准。产生最佳效果的最佳解决方案是在所有层上使用高频材料。然而，这成本高昂。另一种解决方案是使用混合堆叠。

创建堆叠和层方向时应考虑以下堆叠预防措施和指南，以防止信号丢失、回波损耗、串扰和噪声。

参考平面层应放置在信号层旁边。参考层是全铜层，通常是接地层或电源层，提供到信号层的返回路径。参考平面通过创建低阻抗环路有助于减少噪声、串扰和反射。应避免分割或切割参考平面。

应根据设计要求和约束来优化层顺序和方向。最关键的信号层应放置在顶部或底部，以实现最小干扰和最短走线。一些关键信号层可以交替(一层水平，另一层垂直)以减少耦合和串扰。应仔细放置阻抗控制层并仔细计算阻抗。

高速电路经常产生高热量。在布局和叠层审查期间应考虑散热和分布。这涵盖了实现正确的混合堆叠射频 PCB 的正确方法。重要的是要记住，开发它需要 OEM RF 设计和布局工程与经验丰富的 PCB 工厂合作的团队努力。