如何设计混合 PCB 叠层

2021-07-22

如何设计混合 PCB 叠层

上面显示的德州仪器 (TI) 的雷达评估模块是设计 PCB 的绝佳方法之一，该 PCB 包含完整的毫米波部分(fēn)，具有(yǒu)射频路由和高功率传输，以及具有(yǒu)多(duō)个 IC 的中速数字部分(fēn)。我不隶属于 TI，但我喜欢该板作為(wèi)教育工具的主要原因是它展示了一种使用(yòng) Rogers 或 Taconic 等基于 PTFE 的层压板来构建商(shāng)业 RF 产品的方法。有(yǒu)时，当我们谈论使用(yòng) PTFE 层压板或诸如低 Dk 玻璃布层压板之类的替代品时，我们并不是在谈论用(yòng)昂贵的带粘合层的 PTFE 材料或像 Megtron 这样的低损耗材料来构建整个叠层。

在某些情况下，完全由 PTFE 层压板或低 Dk 层压板构建板是有(yǒu)意义的。我已经使用(yòng)高速背板完成了这项工作，该背板支持多(duō)层上的数十个長(cháng)互连，带宽截止频率為(wèi) ~80 GHz。当您需要在 15 英寸電(diàn)路板空间内的两个连接器之间路由多(duō)千兆串行通道时，您需要尽可(kě)能(néng)降低损耗，以确保可(kě)以恢复接收器处的信号。但是，在其他(tā)情况下，您实际上只需要一层上的低损耗层压板。这是混合 PCB 叠层的本质，它可(kě)能(néng)是您電(diàn)路板的更好选择。

何时使用(yòng)混合 PCB 叠层

在选择材料和规划叠层时应该出现的第一个问题是：需要什么材料以及应该使用(yòng)多(duō)少层？假设您已经确定需要低损耗层压板并确定所需的层数，那么是时候考虑是否应该使用(yòng)混合叠层了。在一些广泛的情况下，您可(kě)以考虑在 PCB 中使用(yòng)带有(yǒu)低损耗层压板的混合叠层：

节约成本：去全PTFE或全低-DK可(kě)以是昂贵的。对于原型，成本差异并不大，但这些成本差异在大批量时累加。 

低射频互连数量：如果您可(kě)以在一层上放置所有(yǒu)高速/射频信号，那么用(yòng)专门的低损耗层压板构建整个叠层就没有(yǒu)意义了。您可(kě)能(néng)会考虑增加電(diàn)路板尺寸，以减少通孔数量并将所有(yǒu)东西都放在低损耗层上。 

毫米波设计：只要互连较短，一些在 ISM 频段或 6-7 GHz WiFi 中运行的射频系统就可(kě)以在 FR4 级层压板上正常运行。一旦达到汽車(chē)雷达频率或更高，您通常需要低损耗层压板，除非您的互连非常短以至于不切实际。 

下图显示6 层混合叠层。对于雷达模块或其他(tā)毫米波信号的专业应用(yòng)（如成像），此叠层是一个很(hěn)好的叠层示例。

6层混合层叠

上述叠层也适用(yòng)于带宽很(hěn)好地扩展到毫米波范围的数字系统，但要注意低损耗层压层中的色散。RF 材料制造商(shāng)试图构建他(tā)们的层压系统，在高 GHz 频率范围内具有(yǒu)平坦的色散。然而，在某些高频限制之上，色散将再次发生，从而在数字信号中产生更多(duō)的损耗和相位失真。如果您在无色散极限以上的极高频率下工作，请務(wù)必联系层压板供应商(shāng)获取介電(diàn)常数数据，以便您可(kě)以运行准确的阻抗和 S 参数计算。

此外，一些制造商(shāng)可(kě)能(néng)会告诉您无法制造这种叠层，因為(wèi)您将 PWR 和 SIG 放置在两个内部层中相邻。如果板子小(xiǎo)，那没关系；该板在其跨度达到多(duō) U 背板尺寸之前不会出现任何弯曲。如果需要，您还可(kě)以使用(yòng)覆铜来平衡内层。

尽早与您的制造商(shāng)交谈

如果您已经根据损耗要求、電(diàn)路板厚度和层数组装了混合叠层，则应在开始设计之前将叠层发送给制造商(shāng)。这非常重要，因為(wèi)您的制造商(shāng)可(kě)以确定板是否会通过层压循环而不会分(fēn)解或发生分(fēn)层，因為(wèi)某些材料需要比其他(tā)材料更高的温度和压力。不要害怕尽早联系制造商(shāng)，征求他(tā)们在混合叠层中使用(yòng)所需的低损耗层压板的建议。一定要给他(tā)们：

所需层数

所需层厚

盖帽低损耗层压材料

填料层压材料

尝试确定哪些要求是必须的，哪些是可(kě)以拥有(yǒu)的，因為(wèi)您可(kě)能(néng)需要在某些要求上做出妥协。

添加粘合层后，您的制造商(shāng)可(kě)以让您深入了解成品板的厚度变化。在规划堆叠时一定要考虑到这一点。您通常不需要担心粘合层的介電(diàn)常数，除非您需要在它上面布線(xiàn)。如果您在顶层设计了低损耗层压板，则粘合层可(kě)能(néng)需要位于 L2 和 L3 之间，以便低损耗材料粘附到 FR4 级层压板。您的制造商(shāng)可(kě)以為(wèi)您提供有(yǒu)关这一点的更多(duō)信息。

提交初步叠加

即使在您创建了初步叠层之后，您也应该将其发送给您的制造商(shāng)，以便他(tā)们在制造前对其进行检查。有(yǒu)时，您不能(néng)随意选择要在混合叠层中使用(yòng)的任何材料系统和低损耗层压板。您的制造商(shāng)将有(yǒu)权决定哪些材料可(kě)用(yòng)，交货时间短，或者他(tā)们是否必须外包制造。如果您可(kě)以在创建其余设计之前检查叠层，您的制造商(shāng)可(kě)以推荐与所需PCB 层压工艺兼容的替代材料系统。他(tā)们还可(kě)能(néng)会推荐一些替代的层压板厚度，以帮助您达到整體(tǐ)電(diàn)路板厚度要求。

阅读材料数据表

如果您正在為(wèi)混合叠层选择材料，并且希望在构建混合叠层中发挥更积极的作用(yòng)，请在创建建议的叠层之前查看材料的数据表。尽量匹配 CTE 值、Tg 值、树脂流动温度和固化温度，以确保完全兼容。您仍然应该发送叠层进行审查，以确保可(kě)制造性。