PCB设计层压板中介電(diàn)损耗正切的作用(yòng)

2020-10-13

当今的高速PCB设计具有(yǒu)两个因素：移动大量数据和信号带宽，频率范围高达非常高的频率。结果，有(yǒu)几件事会影响这两个因素。在“如果您做得不好，您将死在水里”列表顶部的那些元素中，损失很(hěn)小(xiǎo)。在设计过程中有(yǒu)很(hěn)多(duō)事情会影响损耗，但是要做出的基本决定是所选层压板的介電(diàn)损耗正切值。简而言之，介電(diàn)损耗正切将限制PCB上传输線(xiàn)的有(yǒu)效長(cháng)度，因為(wèi)它会导致信号電(diàn)平在传播过程中降低。

本文(wén)将介绍介電(diàn)损耗角正切，它在高速设计中的作用(yòng)，它如何取决于玻璃与树脂的比率和频率，如何测量它以及对当今产品的影响。对于以32 Gbps速度运行的電(diàn)路板，我们将研究為(wèi)什么构建测试板对于合格损耗正切的必要性。

介電(diàn)损耗角正切有(yǒu)时称為(wèi)耗散因数，其符号為(wèi)Df。在传输線(xiàn)的设计和RF设计中，電(diàn)介质损耗角正切与黄褐色（定义δ ），这是在其中由電(diàn)磁场（RF）通过電(diàn)介质行进携带的能(néng)量由電(diàn)介质吸收的速率的量度。当一种材料被称為(wèi)“高速”时，它就是Df值。需要牢记的一些要点包括：

在PCB和微波组件使用(yòng)的频率下，電(diàn)介质吸收的能(néng)量通常随频率增加，直到进入高GHz范围。

损耗随频率增大，这是因為(wèi)不断变化的電(diàn)磁场导致電(diàn)介质中的分(fēn)子振动。它们振动得越快，损失就越大（下文(wén)对此进行了更多(duō)介绍）。

材料的损耗角正切值越低，功率损耗就越低。

就材料的介電(diàn)常数而言，任何材料的介電(diàn)损耗角正切都有(yǒu)一个简单的方程：

如果知道介電(diàn)常数的虚部和实部，则可(kě)以计算损耗角正切。如果查看PCB层压板数据表，通常会看到介電(diàn)损耗正切值和Dk值。只需将它们相乘即可(kě)得到介電(diàn)常数的虚部。

都是分(fēn)子的

PCB中使用(yòng)的频率下電(diàn)介质的损耗是由于分(fēn)子由相反的電(diàn)荷形成而形成，该電(diàn)荷可(kě)以相互吸引和排斥。如果分(fēn)子中的原子由于電(diàn)场而移离平衡状态，则它可(kě)以开始振荡。所有(yǒu)材料都将具有(yǒu)一定的损耗角正切，即使在大多(duō)数PCB使用(yòng)的频率下损耗很(hěn)小(xiǎo)。

例如，考虑具有(yǒu)极性和非对称结构的水。有(yǒu)一个氧原子和两个氢原子形成V形，其中氧原子為(wèi)负端，氢原子為(wèi)正端。当水分(fēn)子经受变化的電(diàn)场时，它会振动。请注意，分(fēn)子动能(néng)与温度直接相关，因此，传播场引起的分(fēn)子振动会导致基板中的温度升高。这就是為(wèi)什么微波炉可(kě)以工作的原因。食物(wù)中的水由于電(diàn)场的振动而达到高温。由于在极性分(fēn)子的不同區(qū)域中更大的電(diàn)荷分(fēn)离，所以分(fēn)子与非极性分(fēn)子相比可(kě)以具有(yǒu)更高的介電(diàn)损耗角正切。

表1中的信息表明，用(yòng)于制造多(duō)层PCB的大多(duō)数材料具有(yǒu)相对较高的损耗。（要归类為(wèi)低损耗，损耗角正切应低于.004。）

表1.某些常见层压系统的特性

PCB设计人员面临的挑战是确定一种材料何时损耗太大，必须用(yòng)损耗更低的替代品来代替。由于损耗是频率和传输線(xiàn)長(cháng)度的函数，因此没有(yǒu)简单的规则可(kě)用(yòng)来确定何时必须进行切换。

介電(diàn)损耗角正切，频率和玻璃与树脂的比率

给定的PCB层压板由树脂體(tǐ)系和玻璃纤维增强布制成，每一种都有(yǒu)不同的损耗角正切值。因此，由于使用(yòng)不同比例的玻璃和树脂来制作具有(yǒu)各种厚度的PCB层压板，因此总损耗角正切值将有(yǒu)所变化。当信号完整性工程师仅获得一组层压板的单个损耗角正切值时（例如Panasonic及其Megtron 6材料系统），这就会给信号完整性工程师带来问题。表2显示损耗角正切如何随频率和玻璃与树脂的比率变化。这是Isola Corporation的FR408HR核心材料的数据。

该表包含一个特性良好的PCB层压板系统的示例。可(kě)以看出，介電(diàn)损耗角正切随频率增加的幅度大于其随玻璃与树脂之比变化的幅度。这是因為(wèi)，在该體(tǐ)系中，树脂體(tǐ)系和玻璃的损耗角正切非常接近。在其他(tā)树脂體(tǐ)系中，这可(kě)能(néng)有(yǒu)所不同。

测量数字层压板的介電(diàn)损耗正切

本文(wén)末尾的参考文(wén)献2显示，IPC记录了23种不同的方法来测量层压板中的介電(diàn)损耗角正切。这些方法中的每一种都是针对特定应用(yòng)开发的。由于首先需要低损耗层压板的应用(yòng)是微波和RF，因此大多(duō)数测试方法已针对特定类型的電(diàn)路（如相控阵雷达）进行了优化。与超高速数字電(diàn)路的需求相比，这些应用(yòng)可(kě)被视為(wèi)“窄带”。

这些方法中只有(yǒu)一种方法以可(kě)用(yòng)于数字多(duō)层PCB设计的方式表征层压板。已证明与带状線(xiàn)传输線(xiàn)构造的PCB上进行的实际测试具有(yǒu)最佳关联。所有(yǒu)其他(tā)方法都使用(yòng)谐振腔或其他(tā)类型的测量单元，这些单元在狭窄的频率范围内表征层压板，并且它们都有(yǒu)一些误差。

介電(diàn)损耗正切数据不完整时该怎么办？

典型的层压板数据表没有(yǒu)包含足够的有(yǒu)关介電(diàn)损耗的信息，因此无法对高速数字数据路径中的潜在损耗进行正确的建模和分(fēn)析。那么，如何才能(néng)确保设计在最终构建时能(néng)够按规格工作？工程师在开发使用(yòng)最新(xīn)高速数据链路的产品时，都会出现这个问题。由于需要精确地考虑铜走線(xiàn)的损耗，这可(kě)能(néng)会更加复杂，铜走線(xiàn)的损耗受走線(xiàn)的总表面积以及铜表面粗糙度的影响。 

即使准确知道损耗角正切，也没有(yǒu)可(kě)靠的方法可(kě)以对所有(yǒu)这些效应进行建模。因此，产品开发人员别无选择，只能(néng)用(yòng)实际的传输線(xiàn)构造测试PCB。将其用(yòng)于最终产品并进行测试以确定所考虑的层压板的损耗与频率的关系，并查看是否可(kě)以达到目标。这是為(wèi)高性能(néng)系统构建设计规则集的唯一安全方法。图1是两套实际测试PCB的照片，几年前我们使用(yòng)它们来验证超级计算机中的路径為(wèi)5.2 Gb / S和TB路由器中的路径為(wèi)4.8 Gb / S。这些测试PCB的设计使其在插入在一起时将创建子板/背板接口，以及从背板和子板到外界的接口。

图2. 5.2 Gb / S和4.8 Gb / S数据路径的测试PCB集

那么，如何為(wèi)当今的32 Gb / S和56 Gb / S数据路径进行设计呢(ne)？

当您设计具有(yǒu)32 Gb / S或56 Gb / S数据路径的产品时，您必须构建测试板以确保产品能(néng)够按设计工作，这可(kě)能(néng)不足為(wèi)奇。Speeding Edge的创始人兼总裁Lee Ritchey指出：“一旦进入这些数据路径，损耗正切就变得更加令人担忧。您可(kě)以构建类似于上述内容的测试板。您只需测量更遠(yuǎn)的频率即可(kě)。这些数据速率支配着产品的性能(néng)，它们决定了板上的路径長(cháng)度。等式非常简单，路径越長(cháng)，损失就越大。”

32 Gb / S和56 Gb / S的速度下，您将超越极限。” 相比之下，光纤通道的损耗要少两个或三个数量级。当大型机器（例如用(yòng)于扫描半导體(tǐ)的机器）之间存在盒对盒连接或截面到截面空间时，在很(hěn)多(duō)地方都必须使用(yòng)光纤。这是痛苦的昂贵，因為(wèi)在路径的每一端都必须有(yǒu)一个收发器，每个收发器的价格為(wèi)50美元。因此，激励措施是留在铜中。在10 Gb / S服務(wù)器场中，我们对收发器进行了改进，以使我们可(kě)以通过100英尺長(cháng)的6类電(diàn)缆进行10 Gb / S的传输。但是，从10 Gb / S提升到56 Gb / S是一个巨大的飞跃。真正好的收发器只能(néng)处理(lǐ)大约30英寸。”