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二.PCB叠层构造
1板层、PCB材质选择
PCB是一种层叠构造。
主假如由铜箔与绝缘材料叠压而成。
附图为我们常用的1+6+1构造的,8层PCB叠层构造。
(图6)
起首第一层为阻焊层(俗称绿油)。
它的重要感化是在PCB别处形成一层爱护膜,防止导体上不该上锡的区域沾锡。
同时还能起到防止导体之间因潮气、化学品等引起的短路、临盆和装配中不良操作造成的断路、防止线路与其他金属部件短路、绝缘及抗击各类恶劣情形,包管PCB工作稳固靠得住。
防焊的种类有传统环氧树脂IR烘烤型,UV硬化型,液态感光型(LPISM-LiquidPhotoImagableSolderMask)等型油墨,以及干膜防焊型(DryFilm,SolderMask),个中液态感光型为今朝制程大年夜宗,常用的有NormalLPI,Lead-freeLPI,Prob77.
防焊对阻抗的阻碍是使得阻抗变小2~3ohm阁下
阻焊层下面为第一层铜箔。
它重要起到电路连通及焊接器件的感化。
硬板中应用的铜箔一样以电解铜为主(FPC中重要应用压延铜)。
常用厚度为0.5OZ及1OZ.(OZ为重量单位在PCB行业中做为一种铜箔厚度的计量方法。
1OZ表示将重量为1OZ的铜碾压成1平方英尺后铜箔的厚度。
1OZ=0.035mm).
铜箔下面为绝缘层..我们常用的为FR4半固化片.半固化片是以无碱玻璃布为加强材料,浸以环氧树脂.经由过程120-170℃的温度下,将半固化片树脂中的溶剂及低分子挥发物烘除.同时,树脂也进行必定程度的反响,呈半固化状况(B时期).在PCB制造过程中经由过程层压机的高温压合.半固化中的树脂完全反响,冷却后完全固化形成我们所需的绝缘层.
半固化片中所用树脂重要为热塑性树脂,树脂有三种时期:
A时期:
在室温下能够或许完全流淌的液态树脂,这是玻钎布浸胶时状况
B时期:
环氧树脂部分交联处于半固化状况,在加热前提下,又能复原到液体状况
C时期:
树脂全部交联为C时期,在加热加压下会软化,但不克不及再成为液态,这是多层板压抑后半固化片转成的最终状况.
常用半固化片的类型(表一)
半固化片类型
半固化片厚度
介电常数
106
50
1.97
3.6
4
1080
74
2.91
3.7
4.2
2116
117
4.61
3.9
4.4
2116H
129
5.08
3.8
7628
175
6.89
4.6
7628H
214
8.43
LDP1080
4.1
因为半固化片在板层压合过程中,厚度会变小,因而半固化片的原始材料厚度和压合后的厚度不一样,因而必须分清厚度是原始材料厚度照样完成厚度。
别的,半固化片的厚度不是固定不变的,依照板厚、板层和板厂不合,而有所不合。
上述只是一例。
同时该叠层顶用了两块芯板,即core(FR-4).芯板是厂家已压合好的带有双面铜的基材,在压合过程中厚度是不变的。
常见芯板见下:
(表二)
芯板厚度/mil
芯板厚度/mm
不合工作频率的介电常数
1MHZ
1GHZ
4-6
0.1-0.15
4.3
7-8
0.17-0.2
4.5
9-10
0.23-0.25
11-12
0.27-0.3
14-16
0.36-0.41
18
0.46
20-30
0.51-0.76
三.应用Polar运算50ohm线②④⑤
1走在表层,次表层不挖
①选用模型,依照叠层构造明白,实际上是表层微带线,非嵌入,能够选用图1的模型
②输入参数
留意:
一样情形下,此类微带线的线宽都在0.1MM阁下,能够先输入w1=0.1,w2=0.09运算一下Zo是若干,然后再依照成果调剂w1,w2.w2比w1小10um,是推敲到了PCB上铜线的实际腐化成果
③模型成果(图7)
留意该模型中实际上没有推敲到阻焊对阻抗的阻碍,实际上阻焊对阻抗大年夜概有1ohm阁下的阻碍。
2走在表层,次表层挖空,参考地是第3层
①选用模型,依照叠层构造明白,实际上是表层微带线,非嵌入,选用如下模型
图8
留意H1和H2的值,H2的值实际上应当是第1、2层之间的介质厚度再加上2层的铜厚。
③模型成果(图9)
留意;
因为我们在仿照过程中没有推敲到阻焊对阻抗的阻碍,实际上阻焊对阻抗的阻碍在2~3阁下,能够将成果算大年夜一点,便于厂家调剂。
3走在第4层,参考地是第3、5层
①选用模型,依照叠层构造明白,是带状线,能够选用图3来做模型
留意,依照模型实际上,H1的厚度是芯板的厚度,H2是第4、5层间介质厚度加第4层铜厚
③模型成果(图10)
我们都明白当驾驶一前轮不均衡之车辆时,在某些特定速度下,不均衡的轮子之振动率等于前端悬吊者之天然谐振频率,则存在在一体系中之弹簧及质量中之能量可彼此互作交换导致一大年夜的振动及偏向盘之移动,这些情形司机常见到之。
在此文中,我们将评论辩论在电路中之谐振特点及一些应用。
电路中之谐振,要求电抗量必须能互相抵销。
在一串联RLC电路中,此需电抗性电压降抵消:
在一并联RLC电路中,则需电抗性电流互相抵消。
一串联电路的阻抗,为电阻值及电抗值之向量和。
在一串联RLC电路中,将有一频率,在该频率下可使其电感抗及电容抗相等,此频率称为谐振频率。
可使电抗值互相抵销,导致净电抗值为0,在谐振频率(f0),|XL|=|XC|。
个中所言的RLC电路即指电阻、电感、电容组件所组合而成的电子回路,因此明白得何为特点阻抗之前,甚至何谓谐振频率应先就其材料特点加以明白得。
就电阻而言:
电阻器(resistor)在高频电路中应用甚广,然则一样对电阻特点的明白得,仍多局限于电阻在直流电路中所显现的阻尼特点。
实际上,电阻在高频电路中,因受旌旗灯号频率的阻碍,不仅电阻值会随之改变,更可能会显现电感或电容的特点。
如图所示电阻器在高频时的等效电路,R为电阻器的电阻值,L为其两端引线的电感,C为存在于电阻器内所有杂散电容的总和。
杂散电容形成的缘故,随电阻器构造的不合而异。
以碳粒合成电阻(carboncompositeresistor)为例,因为其构造为以微小碳粒压合而成,故在各碳粒之间都存有电容。
此即为等效电路中杂散电容C的来源之一。
由此能够推知碳粒合成电阻的高频特点甚差。
别的就TDR测量空板上的传输线而言亦可依上述的方法解译,个中上述所提L的效应来自电阻的两端引线,同理推验可知,TDR所应用探棒的测头如接于导通孔时即产生传输路径,此输入信道愈长则L效应相对愈大年夜,此现象将如同业先前所提的测阻抗泥效应,亦指今朝TDR在测试时所看到前端振荡效应。
该效应关于愈短距离的传输线而言,将会造成不雅察的困难。
就电容器而言:
电容器对全然构造,是以两片金属平板中距离以绝缘介质而成的组件,该组件在电路设计大年夜都用作高频旁路或交连电容如与电感器结合,则可设计为滤波电路或为调谐电路,但一样对高频电路设计者来说其设计应用的电容器,往往不必定是选择最合适的,常以取得便利为主做为推敲,因此往往高频讯号传输过程将因电容器所造成的谐振点不合而使阻抗值误差,因此电容器在设计时即应慎重推敲其品德。
另就空板电路板的构造,且以今朝多层板的构造而言,往往层与层之间的构造形同为电容器的构造如图。
就电容器而言有一品德因子Q,其公式为Q=1/DF(Dissipationfactor闲逸因子)。
当DF值愈小时即Q值愈大年夜,因此就真正的电容器或电路板的层与层之间的构造而言,讯号传输过程的能量损掉愈小则品德愈佳。
因此就板材材料而言,在单体材料时即应做电容值测试甚至于材料后加工后,亦应做电容值测试,因在压合后每平地契位面积上的流胶分布将因温度、压力而异于原始材料构造,因为材料于加工后其特点会有所差别,再者就电路板厂制程的一铜制程而言,在做电化学铜时因电镀的效应关系,因此往往在该铜层之中会有裂缝,而该裂缝或马脚将同前叙所言,电阻组件中碳粒之间都存有电容,意指铜层中的马脚将产生额外的杂散电容,如斯将导致今后谐振频率中所需的|XC|不易操纵,最后终将导致特点阻抗的无法精确操纵,是以一铜的制程将不只阻碍到二铜的成果罢了。
因此在预估时期的特点阻抗时往往无法有效掌控压合后真正的介电常数值。
就电感器而言,电感器(inductor)多以导线绕制而成,导线在绕成线圈后,其所显现的电感量,都比同样长度的导线为大年夜。
使得线圈电感量增长的缘故,在于线圈每匝所产生的磁通量,都能经由过程相邻各匝,进而形成较强的磁场合致。
是以,任何能加强磁场的方法,都能使电感量增长。
电感量的大年夜小,与线圈的外形有关。
电感器在高频电路中,是为常用组件之一,诸如谐振、滤波、相移以及延时等电路,都必须应用电感器。
运算公式为:
L=
r=线圈的半径cmN=线圈匝数
L=线圈的长度cm
今姑息R.L.C在高频时所衍生出来的串联谐振特点说明如下,但在此之前就高频电路板设计者起重要先决定若干的匹配阻抗值有用于高频主动组件与被动组件之间的传输线阻抗。
其必备已知的前提如下
1.主动组件的输出阻抗值(OutputImpedance)
2.被动组件的输入阻抗值(InputImpedance)
说明:
已知主动组件的输出阻抗值为50Ω,及欲望与已知被动组件的输入阻抗值为68Ω,如斯即可得出传输线的阻抗匹配值将为58.31Ω,公式为:
如1-1公式算出匹配的传输线阻抗将为58.3Ω,若转换成频率对阻抗的曲线图则如下所示:
由上述所言可知在谐振频率时(f0)其阻抗适值等于电路之总电阻值,是以时可使电感抗与电容抗相等,并使电抗值抵销现在的频率即为谐振频率。
在较f0为低之频率时,电容抗大年夜于电感抗。
故电路之总阻抗是电阻值与净电抗值之相量和。
明显地,工作频率较谐振频率愈低,则净电抗值愈大年夜,总阻抗值亦愈大年夜。
且阻抗的落后之相位角亦愈大年夜,简言之,对低于谐振频率之频率的串联RLC的电路将呈电容性。
在较f0为高之频率时,电感抗大年夜于电容抗,阻抗为电阻值及净电感抗之相量和。
频率较谐振频率愈高时,电路变为更具电感性。
阻抗之导前的相位角亦愈大年夜,总阻抗值亦愈大年夜。
我们综合上述诸效应如下:
f<
f0:
ZT="
R-j"
(XC-XL)
=tan-1XC-XL
R
R"
0
f>
+j(XL-XC)
=tan-1XL-XC
是以如上说明后可得知,传输线的特点阻抗值今后自谐振频率点(f0)的地位而定,而该地位则阻碍来自容抗及感抗的含量而定。
电路设计者另要对高频传输线在高频讯号传输时的传输介质做选择,因就传输线的等效电路图而言将如下所示:
由前述得知当电容的容抗及电感的感抗不相等时,即会使传输线的阻抗特点显现电容或电感效应,个中电容效应尤为猛烈,是以如能调剂电容参数即能操纵介质常数的稳固,将进而可调剂谐振点(f0)及获得最后传输线上的匹配阻抗值,是以就材料内的电容参数阻运算公式如下
C=εr×
8.85×
10-12F/m
前提εr=4.3则
C=4.3×
10-12F/m=38PF
个中上述公式8.85×
10-12F/m为天然界的空气介质常数,F则为电容的容量单位法拉。
电路设计者关于今后传输线上的传输线长度亦要做推敲,因不合的传输频率及不合的传输介质,将阻碍传输线的长度,举例说明
设计一串联谐振的回路线路在50Ω的同轴电缆线,其介质为PTFE材料,其传输频率为402MHz
前提Z0=50Ω,εr=2.10(PTFE介质常数)
公式λg=
=0.5149m=20.27in
λg/4=0.5149m/4=0.1287m=5.07in
个中公式中λg为导体内的波长长度,f-c为光速空气介质的传播值,是以就该传输频率其最短的传输线长度应为5.07inch。
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