印制电路板基材类型对信号稳定性影响的试验

王晓娜 唐 鹏 陈传开

（无锡市同步电子科技有限公司，江苏 无锡 214028）

随着电子信息产业的发展，高速大容量数据通信和电信网络的应用推动印制电路板（PCB）由传统连接电路走向高频电路。作为电子系统的互连载体，PCB电气性能对电子系统的影响不容小觑，PCB信号的稳定性及完整性，受到基材选择，布线设计，工艺制程等影响，产生一系列诸如反射、串扰、信号不稳定等问题，从而造成电子系统工作异常或失效。本文主要研究基材选择对信号稳定性的影响。随着无铅工艺越来越多地应用于生产中，要求PCB具有更高的耐热强度、机械强度，同时需要兼顾产品的电气特性、耐化性、与制程的匹配性等。为确认基材类型与电气性能的关系，开展以下试验研究，实现向客户提供更准确、更可靠的生产选材服务。

1 试验原理说明

PCB前处理、贴膜、曝光、显影、蚀刻等传输线制作工艺过程是将传输线的模拟设计转化成实物的重要环节[1]。PCB的线宽、线距及铜厚等集合结构与设计匹配一致的传输线，是制作工艺的研究重点，其对信号的稳定性和完整性有不可忽略的影响[2]。而PCB的制作材料对信号稳定性亦有着重要的影响[3][4]，PCB基材是构成传输线的基础，信号通过时，传输线、参考平面与夹在二者之间的绝缘介质构成了电容器，从信号传输理论可以知道该电容越小，对信号的稳定性和完整性的影响越小，因此PCB基材类型（主要指介电常数及损耗角正切）不同，会对信号产生影响。本文主要考虑基材类型对PCB信号的影响，试验前提是相同的制作工艺[5]，不同的基材类型对PCB的信号波形进行研究。

2 试验实施

2.1 样品信息

本次试验样品为我公司一款常规产品，采用碱蚀、热风整平焊锡（含铅）工艺，使用四种基材类型进行加工，PCB样品具体产品信息见表1所示。四种基材类型的基本特征参数见表2所示。

表1 样品基本信息一览表

表2 不同基材性能参数表

2.2 印制板生产

为尽量避免PCB生产工艺对信号稳定性的影响，故采用相同工艺、相同生产批次、不同种类的四种基材进行PCB生产，每种基材分别加工PCB数量3块，完成加工后PCB相关检验数据见表3所示。

表3 印制板检验信息

PCB生产完成后，分别对四种基材加工的12块板使用相同贴装工艺，相同位置进行元器件贴装如图1所示。

图1 验证板贴装元器件示意图

2.3 试验部分

本次对PCB基材对信号稳定性影响主要通过对加工后PCB的电流测试及波形测试进行验证，相关数据分析见第3节所述。

3 试验数据分析

贴装完成后电流测试值见表4所示，测试电流相对稳定，PCB性能良好，无故障。

表4 不同基材的印制板贴装后测试电流

选取位号5贴片器件的部分引脚号进行波形测试：D4、D5、D14、D15、CLKOUT，引脚位号示意见图2所示。

图2 D5芯片引脚位号示意图

选择部分波形进行对比分析，具体见图3至图5所示，其中波形相似部分用浅灰色线标识，不同部分用黑色线标识。

图3 基材1&基材2产品D15引脚波形对比图

图4 基材2&基材3产品D15引脚波形对比图

图5 基材1&基材4产品D15引脚波形对比图

对比基材类型1和基材类型2的波形图，可以看出使用基材1及基材2生产的印制板，其波形无明显差别，可参考图3所示；从波形图中可以看出，四种基材中，基材类型4生产的印制板波形较好，可参考图5所示；通过以上试验情况，PCB的阻抗匹配若处理不当，则SDRAM（同步动态随机存取内存）的地址、数据布线一致性不好，不同的基材加工出的产品会有一定的差异，对信号均会有一定影响，其主要归结为阻抗匹配精度问题。

4 结语

本文阐述了不同基材类型对信号稳定性的影响，可以看出印制电路板的基材类型会影响传输信号的稳定性。基材类型不同决定了Dk值不同、损耗角正切不同。Dk值在不同频率、温度场景下的稳定性，影响传输线的阻抗，尤其在时序严格的系统中，阻抗的不均匀性会引起高速信号的相位偏差，导致时序错误，引起信号完整性问题，后续应关注基材的介电常数、损耗角正切值，对比在不通频段下、不同基材的阻抗值、插损、驻波、相位一致性等特征参数。