如何設計混合 PCB 疊層

2021-07-22

如何設計混合 PCB 疊層

上面顯示的德州儀器 (TI) 的雷達評估模塊是設計 PCB 的絕佳方法之一，該 PCB 包含完整的毫米波部分，具有射頻路由和高功率傳輸，以及具有多個(gè) IC 的中速數字部分。我不隸屬于 TI，但我喜歡該板作為教育工具的主要原因是它展示了一種使用 Rogers 或 Taconic 等基于 PTFE 的層壓板來(lái)構建商業(yè) RF 產(chǎn)品的方法。有時(shí)，當我們談?wù)撌褂?span> PTFE 層壓板或諸如低 Dk 玻璃布層壓板之類(lèi)的替代品時(shí)，我們并不是在談?wù)撚冒嘿F的帶粘合層的 PTFE 材料或像 Megtron 這樣的低損耗材料來(lái)構建整個(gè)疊層。

在某些情況下，完全由 PTFE 層壓板或低 Dk 層壓板構建板是有意義的。我已經(jīng)使用高速背板完成了這項工作，該背板支持多層上的數十個(gè)長(cháng)互連，帶寬截止頻率為 ~80 GHz。當您需要在 15 英寸電路板空間內的兩個(gè)連接器之間路由多千兆串行通道時(shí)，您需要盡可能降低損耗，以確?？梢曰謴徒邮掌魈幍男盘?。但是，在其他情況下，您實(shí)際上只需要一層上的低損耗層壓板。這是混合 PCB 疊層的本質(zhì)，它可能是您電路板的更好選擇。

何時(shí)使用混合 PCB 疊層

在選擇材料和規劃疊層時(shí)應該出現的第一個(gè)問(wèn)題是：需要什么材料以及應該使用多少層？假設您已經(jīng)確定需要低損耗層壓板并確定所需的層數，那么是時(shí)候考慮是否應該使用混合疊層了。在一些廣泛的情況下，您可以考慮在 PCB 中使用帶有低損耗層壓板的混合疊層：

節約成本：去全PTFE或全低-DK可以是昂貴的。對于原型，成本差異并不大，但這些成本差異在大批量時(shí)累加。 

低射頻互連數量：如果您可以在一層上放置所有高速/射頻信號，那么用專(zhuān)門(mén)的低損耗層壓板構建整個(gè)疊層就沒(méi)有意義了。您可能會(huì )考慮增加電路板尺寸，以減少通孔數量并將所有東西都放在低損耗層上。 

毫米波設計：只要互連較短，一些在 ISM 頻段或 6-7 GHz WiFi 中運行的射頻系統就可以在 FR4 級層壓板上正常運行。一旦達到汽車(chē)雷達頻率或更高，您通常需要低損耗層壓板，除非您的互連非常短以至于不切實(shí)際。 

下圖顯示6 層混合疊層。對于雷達模塊或其他毫米波信號的專(zhuān)業(yè)應用（如成像），此疊層是一個(gè)很好的疊層示例。

6層混合層疊

上述疊層也適用于帶寬很好地擴展到毫米波范圍的數字系統，但要注意低損耗層壓層中的色散。RF 材料制造商試圖構建他們的層壓系統，在高 GHz 頻率范圍內具有平坦的色散。然而，在某些高頻限制之上，色散將再次發(fā)生，從而在數字信號中產(chǎn)生更多的損耗和相位失真。如果您在無(wú)色散極限以上的極高頻率下工作，請務(wù)必聯(lián)系層壓板供應商獲取介電常數數據，以便您可以運行準確的阻抗和 S 參數計算。

此外，一些制造商可能會(huì )告訴您無(wú)法制造這種疊層，因為您將 PWR 和 SIG 放置在兩個(gè)內部層中相鄰。如果板子小，那沒(méi)關(guān)系；該板在其跨度達到多 U 背板尺寸之前不會(huì )出現任何彎曲。如果需要，您還可以使用覆銅來(lái)平衡內層。

盡早與您的制造商交談

如果您已經(jīng)根據損耗要求、電路板厚度和層數組裝了混合疊層，則應在開(kāi)始設計之前將疊層發(fā)送給制造商。這非常重要，因為您的制造商可以確定板是否會(huì )通過(guò)層壓循環(huán)而不會(huì )分解或發(fā)生分層，因為某些材料需要比其他材料更高的溫度和壓力。不要害怕盡早聯(lián)系制造商，征求他們在混合疊層中使用所需的低損耗層壓板的建議。一定要給他們：

所需層數

所需層厚

蓋帽低損耗層壓材料

填料層壓材料

嘗試確定哪些要求是必須的，哪些是可以擁有的，因為您可能需要在某些要求上做出妥協(xié)。

添加粘合層后，您的制造商可以讓您深入了解成品板的厚度變化。在規劃堆疊時(shí)一定要考慮到這一點(diǎn)。您通常不需要擔心粘合層的介電常數，除非您需要在它上面布線(xiàn)。如果您在頂層設計了低損耗層壓板，則粘合層可能需要位于 L2 和 L3 之間，以便低損耗材料粘附到 FR4 級層壓板。您的制造商可以為您提供有關(guān)這一點(diǎn)的更多信息。

提交初步疊加

即使在您創(chuàng )建了初步疊層之后，您也應該將其發(fā)送給您的制造商，以便他們在制造前對其進(jìn)行檢查。有時(shí)，您不能隨意選擇要在混合疊層中使用的任何材料系統和低損耗層壓板。您的制造商將有權決定哪些材料可用，交貨時(shí)間短，或者他們是否必須外包制造。如果您可以在創(chuàng )建其余設計之前檢查疊層，您的制造商可以推薦與所需PCB 層壓工藝兼容的替代材料系統。他們還可能會(huì )推薦一些替代的層壓板厚度，以幫助您達到整體電路板厚度要求。

閱讀材料數據表

如果您正在為混合疊層選擇材料，并且希望在構建混合疊層中發(fā)揮更積極的作用，請在創(chuàng )建建議的疊層之前查看材料的數據表。盡量匹配 CTE 值、Tg 值、樹(shù)脂流動(dòng)溫度和固化溫度，以確保完全兼容。您仍然應該發(fā)送疊層進(jìn)行審查，以確?？芍圃煨?。