影响4G PCB信号损耗因素分析

孟昭光 冉彦祥 叶 志（东莞市五株电子科技有限公司，广东 东莞 523290 ）

影响4G PCB信号损耗因素分析

Paper Code: S-015

孟昭光 冉彦祥 叶 志
（东莞市五株电子科技有限公司，广东 东莞 523290 ）

主要从影响4G PCB信号线设计、阻抗控制、介电常数、导体铜厚、导体线宽、表铜粗糙度、油墨类型、介质常数等因素分析如何影响4G PCB信号衰减，目的是为使有阻抗要求的4G PCB主板在生产加工过程中能得以顺利的完成，希望能给PCB制造业同行有所帮助。

信号损耗；阻抗控制；4G天线；材料；导体铜厚；导体线宽；介电常数；介质常数

1 前言

“信号损耗”在PCB业界来讲是一个比较复杂，相对较新的课题，高速设计领域一个越来越重要也是越来越为设计所关注的议题就是受控阻抗的电路板设计以及电路板上互联线的特征阻抗与信号损耗的关系。3G的关键技术是CDMA技术（码分多址技术），而4G采用的是OFDM技术（正交频分复用技术），由于在4G中要在有限的频率资源条件下传输高速的数据信息，因此系统需要采用高频谱效率，所以控制信号处理的研究就变得十分重要。以下所述仅是我们处于PCB制作厂商的角度，对阻抗的加工、质量控制方面的一些浅薄认识，其必然有很多疏漏之处，敬请谅解。

2 4G信号线设计特点

2.1 4G PCB天线布线

分析4G产品，特别是影响4G手机的信号问题，通常应该涵盖3个方面，它们是4G的RF（射频）天线部分（含WiFi、蓝牙、GSM、GPS、FMA）、主芯片与RF模块、主芯片和DDR(存储器模块)模块。[1]

影响4G PCB的天线总共有4～5条，在Gerber中均主要以阻抗线宽的方式进行控制，如图1。

图1 手机天线Gerber图

2G、3G模式下，完全可以通过阻抗控制来达到信号的控制，但4G模式下，阻抗控制得当并不意味着信号控制就完全可控，这主要是两方面存在影响：一是信号的趋肤效应，二是信号传输过程中的衰减。通过分析得知，天线的频率越大，其信号线路“趋肤效应越深”，信号衰减干扰越大，而衰减主要影响有线宽、线距、铜厚度、基材材料、油墨。我们在设计中，要注意天线到铜的距离要求，常规需要大于线宽的1.5倍；天线周围不能有突起或者尖端位置来避免干扰；为了减少趋肤效应的影响，铜厚是越厚越好，线是越宽越好，直流电阻越小越好。

2.2 线路、阻抗和信号总体关系

天线业界设计早有要求：当天线线宽≤300 μm时，天线距离接地铜面、屏蔽孔等的间距要求≥1.5×线宽 ；天线线宽＞300 μm时，天线距离接地铜面、屏蔽孔等的间据要求＞2*线宽；天线设计不能有凸出或直角形线路设计，以平滑曲线设计为最佳；天线的成品线宽至少要大于客户的原始设计，这就要求工程在线宽补偿、规格控制、以及生产控制上做到匹配。我们在开发中得出的4G产品控制的线宽和阻抗经验如下：（1）线宽偏中值上限，阻抗偏下限，能通过认证；（2）线宽偏下限，阻抗中值，有可能通不过认证；（3）线宽偏下限，阻抗偏上限，认证不过的几率远大于第二种情况。下面就具体到从手机主板的阻抗设计、板材等因素来分析怎样影响手机阻抗信号衰减。

3 信号影响分析

3.1 阻抗影响信号

在实际生产中，导线的宽度、厚度、绝缘材料的介电常数和绝缘介质厚度的稍微改变都会引起特性阻抗值发生变化.另外特性阻抗值还会与其他生产因素有关，所以，为了实现对特性阻抗的控制，生产者必须了解影响特性阻抗值变化的因素，掌握实际生产条件，根据设计者提出的要求，调整各个工艺参数，使其变化在所允许的公差范围内，以得到期望的阻抗值。

3.1.1 阻抗控制定义及阻抗计算公式

随着科技的发展，电路板趋向高密度，小体积，导致多层板组装高速零件时，讯号线之“特性阻抗”必须控制在一定范围内，以减低线路阻抗，失真，干扰，串音等问题，此种质量要求称为 “阻抗控制”。

目前设计的阻抗结构主要两种，一是微带线阻抗：外层为阻抗控制的信号层面，它和相连的对照层中间用PP隔开，通常指外层阻抗，如图2所示；二是带状线阻抗﹕内层为阻抗线所在层次，它与顶层或底层及相临的参照层以介电层隔开，H1=H2时称为对称式带状线阻抗，当H1≠H2时称为非对称式带状线阻抗，如图3所示 。

图2 微带线阻抗

图3 带状线阻抗

计算公式：微带线阻抗：Z0= [87/(Er +1.41)½]Ln5.98h/(0.8w+t)]

带状线（阻抗：Z0= [60/Er½]Ln4h/ [0.67w(0.8+t/w)]

3.1.2 影响阻抗的因素

PCB 在电子电路设计上的阻抗与以下因素有关：

（1）介电常数（Er）：由原材料决定；（2）绝缘层厚度（H）：由PCB压合制程能力决定（涉及PP压合前厚原材料度和残铜率）；（3）导线宽度（W）：由PCB线路蚀刻制程能力决定；（4）导线厚度即铜厚（T）：由原材料及电镀制程能力决定；（5）间距（S）：由PCB线路蚀刻制程能力决定。通过分析我们得知，绝缘厚度精度的高低，对阻抗值精度控制是最重要的影响因素，依影响度大小排列顺序如下∶绝缘层厚度＞导线宽度＞导线厚度＞介电常数。根据实际经验，我们得出，如果线路＜75 μm，则线宽的影响将非常突出，线宽越小，对阻抗影响越明显。

3.1.3 影响阻抗的各因素之间关系

通过相关试验我们得出：

（1）介电常数Er，与阻抗Z0关系为，Er越大，阻抗越低，Er越小，阻抗越高；（2）绝缘层厚度H，与阻抗Z0关系为H，绝缘层厚度越厚，阻抗越高，否则越低；（3）导线宽度W：与阻抗Z0关系为1/W，线宽越大，阻抗越低，否则越高；（4）导线厚度即铜厚T，与阻抗Z0关系为1/T，铜厚越厚，阻抗越低，否则越高；⑤间距S：与阻抗Z0关系为S，间距越大，阻抗越高，否则越低。

影响阻抗的各因素之间关系列表如下：（↑代表高、大，↓代表低、小）

表1 影响阻抗的各因素之间关系列

3.1.4 2G、3G与4G产品阻抗影响对比

我们从材料的组成成分，包括玻璃纤维布、树脂体系，材料成分及介层厚度分别作比较分析得知，2G、3G 与4G产品影响阻抗的因素有着很大的区别，详细见表2。

3.2 Er（介电常数）影响信号

基板材料的介电常数是由树脂、增强材料、填料所组成，因此基板材料的介电常数可利用如下的公式来进行计算。

表2 2G、3G与4G产品阻抗影响因素比较

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

ER：树脂的介质常数；VR：介质层中树脂所占的体积百分比；

EG：树脂的介质常数；VG：介质层中玻璃布所占的体积百分比3.5；

E：填料的介值常数；VF：介质层中填料所占的体积百分比；

在高频微波的电路板应用中，当Er越小，其传送速度越快，因而，利用印刷电路板的低介电常数，来达到信号传播的高速度.这也是为什么高频微波印刷电路板会要求低介电常数的原因。

下面是填料的比较：

图5 比较差的填料颗粒

图6 比较好的填料颗粒

材料里不同的增强材料与不树脂的介电常数：

3.3 铜厚影响信号

要分析4G主板铜厚对信号的影响，必须明白铜厚在交流、直流状态下的阻值关系：

直流状态下，低频阻值服从欧姆定律Rdc=ρL/s（Ω），模型及计算公式见图7；交流状态下，高频阻值服从趋肤效应：交流电流流过导体时，电流方向是交替变化的，电流在导体中所产生的交变磁场对电荷的推斥作用力，迫使电流电荷向导体的表面集中，使得导体的实际有效载流面积减小。交流电流流过导体时，发生电流向导体表面集中的现象，称之为交流电流的趋肤效应[2]；电流离开导体载流面中心向表面集中的程度，可以用趋肤效应深度来衡量。趋肤效应深度计算公式及模型见图8[3]，图9，信号传输频率与趋肤效应关系见表4。

扁形导线的直流电阻模型及计算公式为：

图7 直流电阻模型及计算公式

表3 材料的介电常数

扁平导线高频电阻的模型及计算公式为：

由于电流的趋肤效应，扁平导线高频电流集中在导线外周向内的一个方形框的面积上，框的宽度等于电流趋肤效应的深度。在趋肤效应深度小于扁线窄边高度的1/2时，方形框的面积可用下式计算：

图8 高频电阻模型及计算公式

图9 趋肤效应演示图

表4 信号传输频率与趋肤效应关系

我们在实际生产中，要注意，针对客户线路设计及稀疏独立线路料号于一次铜及二次铜制程需监控镀层厚度均匀性，避免产生线路厚度不均问题，镀层每增加63.5 μm则阻抗变化0.5 Ω，阻抗计算时线路铜的厚度按表五计算。

表5 铜厚控制范围

17 μm：（17±1.7）μm；34 μm：（34±3.4）μm。

3.4 线宽影响信号

线宽直接影响阻抗，也影响信号传输，工作底片应事先补偿，以补偿蚀刻所发生的侧蚀，获得理想线宽，线宽每变化25 μm则阻抗变化6 Ω，这表示从工作底片，影像转移解象度及蚀刻速率均须一一控制，空旷区根据内外层铜厚不同按表六设定线宽补偿：

表6 铜厚与补偿计算关系（空旷区）

线宽的控制涉及到物料选择、设备选择、线路分辨率、蚀刻均匀性控制、面铜均匀性控制、线路补偿等诸多方面，是比较系统的工程。尤其是设计线路模块补偿，不同补偿值(含独立、密集、纵向、横向布线)要模拟电镀后的铜厚，LDI曝光蚀刻后对线宽进行量测分析，来确定线路的最佳补偿值，也就是我们目前大多数企业采用的动态补偿法[4]，要以实际生产状况可作调整。

3.5 表铜粗糙度影响信号

在相同频率下，铜表面粗糙度越大，信号损耗越大，所以我们在实际生产中尽可能控制表面铜厚的粗糙度，粗糙度在不影响结合力的情况下越小越好。尼龙膜刷+火山灰处理后表铜粗糙度可控制在3.0 μm以下。

图10 粗糙度与传递损耗关系

3.6 材料影响信号

3.6.1 理解Df（散失因素）与Dk（介质常数）

Df，最简单的定义是，讯号线中已漏失到绝缘板材中的能量，对尚存在导体线中能量之比值。

图11 Df损失正切图

PCB基板材料的散失因素越大，介质层吸收波长和热损失就大，在高频下这种关系就更明显地表现出来，它直接影响着高频传播信号的效率和高频讯号传输的能量，4G产品在工作中常会发生各种不当的损失∶其一是往介质板材中漏失；其二是在导体中发热的损失；其三是形成电磁波往空气中的损失。前者可改用Df较低的板材制作高频电路板，以减少损失。至于导体之损失，则可另以压延铜箔或低稜线线铜箔，取代明显柱状结晶的粗糙填料 ，以应对不可避免的趋肤效应。而辐射损失则需另加遮蔽，并导出排放到“接地层”的零电位中，以消除可能的后患。一般影响4G PCB板上，做为区隔用途的大铜面，其众多接地用的围墙孔，即可将拦下的电磁波，消弥之于接地层中，而不致于伤害到使用者的脑袋。

Dk，介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场与最终介质中电场比值即为介值常数。此词另有同义字“容电率”由字面上可体会到与电容之间的关系与含义。当多层板绝缘板材之“容电率”较大时，即表示讯号线中的传输能量已有不少被蓄容在板材中，如此将造成“讯号完整性” 的质量不佳，与传播速率的减慢。换言之即表示已有部分传输能量被不当浪费或容存在介质材料中了。所以绝缘材料的“介质常数”愈低者，其对讯号传输的质量才会更好。目前各种板材中以PTFE（铁氟龙），在1 MHz频率下所测得介质常数为2.5，FR-4约为4.7。

事实上，绝缘板材之所以会出现这种不良的“容电”效果，主要源自材板材本身分子中的极性，进而造成平行金属板间之介质材料，对静电电荷产生“蓄或容”的负面效果，极性愈大时Dk也愈大，容蓄的静电电荷也愈多。纯水本身的Dk高达75，故板材必须尽量避免吸水，才不致升高Dk而减缓了讯号的传输速度。

3.6.2 不同材料的阻抗与信号衰减

首先说明的是，有关信号损耗：2G、3G产品的信号损耗≤3.5 db；4G产品的信号损耗≤2.5 db。

同时对材料1、材料2、材料3三种材料生产的产品各取3PCS，同一个位置进行阻抗测量，数据如下：

表8 不同材料阻抗测试数据

3.7 阻焊油墨影响信号

从市场上主芯片的不同频率解析分析得知，主频率＞1.7GHz时，使用含溴（Br）含量＜0.001%的油墨。溴的折光率：1.664，影响信号的损耗。

4 结语

2G、3G主板向4G主板转换，运用差分线传输高速信号，一方面在对PCB系统的信号完整性和低功耗等方面大有裨益，同时也给 PCB设计水平和生产制造水平提出了更高要求。一方面设计者需要从线路设计，阻抗控制设计上考虑更多的因素，包括介电常数、绝缘层厚度、导线宽度、导线厚度等，稍微改变都会引起特性阻抗值发生变化。另一方面生产者也必须了解影响信号衰减的因素，包括板材的Df（散失因素）与Dk（介质常数）、材料的树脂类型及填料类型、油墨的选择、铜厚、线宽线距控制等，更要掌握实际生产条件，根据设计者提出的要求，合理选择材料及油墨类型能，调整各个工艺参数，使信号强度在所允许的范围内，以得到期望的效果。总之，要想找出合理有效的解决办法，仔细分析出信号衰减现象的原因，还要不断把工作中积累的一些经验加以总结，并上升为理性认识，才能够取得满意的效果。

表9 不同材料不同频率下的信号衰减

[1] 岳月华. 手机天线HAC方案研究与设计[D]. 苏州大学. 2011.

[2] 石东平,唐祖义,陈武. 趋肤效应的理论研究与解析计算[N]. 重庆文理学院学报(自认科学版).2009,28(5).

[3] 张小林, 徐精华. 趋肤效应下传输线高频交流电阻的分析[J]. 江西科学, 2008, 6∶873-875.

[4] 冉彦祥,孟昭光.一种精细线路的动态补偿制作方法[P]. 中国,发明专利,ZL201410195513.2. 2014.5.

孟昭光，高级工程师，从事PCB制造技术研发工作，主要研究超薄超细任意互联智能手机主板及4G终端产品的开发工作。。

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