材料特性如何影响高速PCB信号性能(néng)

2020-08-11

正如在涉及PCB设计和制造过程的各种资料中指出的那样，在选择层压板时，产品开发人员需要熟悉多(duō)种材料属性。PCB频率越复杂且频率越高，这些属性就变得越关键。它们包括：

材料经过层压过程以及随后的冷却过程后如何收缩。

材料在层压循环中的行為(wèi)。

物(wù)料如何钻孔。

怎样制版。

Dk或介電(diàn)常数eᵣ在层压板的各种厚度上如何变化以及它如何随频率变化。影响因素包括：

将材料（真空除外）的介電(diàn)常数与真空进行比较。

这种比较产生了一个eᵣ，它表示了这些材料与真空相比对速度和電(diàn)容的影响。

材料的Df或损耗角正切如何影响PCB的操作。

这是衡量RF信号中有(yǒu)多(duō)少能(néng)量在PCB的電(diàn)介质中损耗的度量。

当一种材料被称為(wèi)高速时，这就是被参考的特性。

这些属性如何影响这些？

支持将低Dk层压板用(yòng)于复杂PCB（如底板）的最初论点是，它可(kě)能(néng)更薄。希望使底板变薄的原因是，它更易于電(diàn)镀孔，从而降低了長(cháng)宽比，并且更适合用(yòng)于连接诸如压配合连接器的结构。另一个论点是，如果通孔较小(xiǎo)（由于電(diàn)路板较薄），则它们的電(diàn)容将较少，从而不会干扰高速信号。另一个考虑因素是，使用(yòng)低Dk层压板将允许更宽的走線(xiàn)，从而降低铜损。

根据上述参数，对低Dk和低DF材料进行了比较研究。该研究中的信息及其结果将在本文(wén)的下一部分(fēn)中介绍。

低介電(diàn)材料的好处是什么？

低Dk层压板的优点及其在高速差分(fēn)信号方面提供的优势包括：

如上所述，对于选择来产生给定阻抗的给定走線(xiàn)宽度，在走線(xiàn)及其相邻平面之间使用(yòng)的层压板可(kě)以更薄，从而使PCB整體(tǐ)更薄。

如果选择F 或选择产生给定阻抗的给定厚度的层压板，走線(xiàn)宽度可(kě)以更宽。由于迹線(xiàn)中的趋肤效应损失，这导致较低的信号损失。

注意：在非常高的频率下，导體(tǐ)的電(diàn)流将不再均匀地流过导體(tǐ)的整个横截面。相反，它在表面附近拥挤。这是皮肤效应丧失的现象。

前述好处似乎是基于以下理(lǐ)由使用(yòng)低Dk材料的有(yǒu)力论据：

下面所示的等式1通常用(yòng)于计算表面微带传输線(xiàn)的阻抗。已经证明它与现代PCB中使用(yòng)的尺寸不正确，但是它说明了Dk或eᵣ如何影响阻抗。

等式中的变量為(wèi)：H =平面上方的高度，W =迹線(xiàn)宽度，T =迹線(xiàn)厚度，eᵣ=相对介電(diàn)常数或Dk，Zₒ=阻抗（以欧姆為(wèi)单位）。

请注意，降低eᵣ会导致较高的阻抗，相反，提高eᵣ会导致较低的阻抗。

如果使用(yòng)较低的e层压板，则对于给定的阻抗，走線(xiàn)宽度可(kě)以变宽，从而降低了铜损。

 

公式1.阻抗公式

导致低DK材料的大型，高层数背板的因素似乎很(hěn)有(yǒu)吸引力 

在当今高性能(néng)产品中使用(yòng)的较大的，高层数的背板，其中存在大量的高速差分(fēn)对，例如Internet核心路由器和交换机，其厚度可(kě)高达400密耳（10毫米）。这种厚度带来了两个不同的问题，包括：

通孔的钻孔和電(diàn)镀可(kě)能(néng)很(hěn)困难。

这些長(cháng)而大的孔的寄生電(diàn)容可(kě)能(néng)会在非常高的数据速率下对信号质量产生不利影响，因此需要进行“反向钻孔”以去除孔中的大部分(fēn)多(duō)余铜。

注意：利用(yòng)当今产品的高数据速率，无法将背板做得足够薄以避免执行背钻过程。

较低的Dk层压板将减少获得所需阻抗所需的层压板厚度，并降低PCB的整體(tǐ)厚度和空穴電(diàn)容。

迹線(xiàn)宽度问题包括：

从上面的方程式1可(kě)以看出，对于平面上方的给定高度，较低的Dk层压板可(kě)以為(wèi)给定的目标阻抗使用(yòng)更宽的迹線(xiàn)。

如上所述，使用(yòng)更宽的走線(xiàn)的动机是通过增加走線(xiàn)的表面积来减少由“集肤效应”现象引起的信号损失。

根据前述内容，对于那些包含以高速差分(fēn)信号為(wèi)特征的高速背板的产品，使用(yòng)低Dk层压板似乎是“不费吹灰之力”的决定。当您考虑减少PCB的整體(tǐ)厚度并增加走線(xiàn)时，尤其如此。但是，就像生活中的大多(duō)数事物(wù)一样，一切都有(yǒu)很(hěn)多(duō)优点的事物(wù)也都有(yǒu)缺点。在低Dk层压板的情况下，问题是成本（低Dk层压板更昂贵），供应来源有(yǒu)限且交货时间長(cháng)。从最近对COVID-19的影响来看，

如果有(yǒu)另一种方法怎么办？

基于与低Dk层压板相关的优点和缺点的平衡，值得考虑一种替代方法。通过使用(yòng)低损耗材料可(kě)以找到这种方法。损耗角正切或Tan（f）表示電(diàn)磁场中通过電(diàn)介质吸收的能(néng)量的数量。并且吸收的能(néng)量随频率增加。

為(wèi)了确定低Dk和低Df层压板之间的性能(néng)特征，我们进行了以下分(fēn)析。

图1中的曲線(xiàn)显示了当走線(xiàn)宽度从5密耳（127微米）变化到10密耳（254微米）时，铜损耗的减少与33“（84 cm）带状線(xiàn)信号路径走線(xiàn)宽度变化的关系。可(kě)以看出，两个迹線(xiàn)宽度之间几乎没有(yǒu)差异。当然不足以带来实质性的改善。

图1.铜损与 33英寸带状線(xiàn)信号路径的走線(xiàn)宽度。迹線(xiàn)宽度变化，5密耳和10密耳

接下来，图3显示了22层板的堆叠，该板在106密耳（2.56毫米）厚的板上具有(yǒu)4密耳（101微米）宽的带状線(xiàn)迹線(xiàn)。

图3. 22层，106密耳（2.56毫米）厚的板和4密耳（106微米）宽的带状線(xiàn)迹線(xiàn)

现在，我们将图3与图4进行比较，图22是一块22层板的堆叠，该板上在160密耳（4毫米）厚的PCB上具有(yǒu)8密耳宽的带状線(xiàn)迹線(xiàn)。根据图1、2、3和4中提供的信息，我们可(kě)以得出以下结论：

图4. 22层，160密耳（4.4毫米）厚的板和8密耳（203微米）宽的带状線(xiàn)迹線(xiàn)

如果人们通过将迹線(xiàn)宽度从5 mils更改為(wèi)10 mils（仅通过将Dk减小(xiǎo)一半以上）来检查2.5 GHz（大约5 Gb / S）时的损耗变化（仅通过将Dk减小(xiǎo)一半以上），就可(kě)以将路径上的损耗仅提高1 dB。長(cháng)33英寸（84厘米）。这不是实质性的收获。

如果通过使用(yòng)损耗较低的叠层来检查相同频率下的损耗变化，则损耗降低為(wèi)2 dB。

如果使用(yòng)一种较新(xīn)的超低损耗层压板，则2.5 GHz的改善幅度超过6 dB。

图3显示，将走線(xiàn)宽度从4密耳增加到8密耳，会使22层PCB的厚度增加60％。

使用(yòng)低Dk层压板以允许使用(yòng)更宽的迹線(xiàn)不会导致损耗的显着改善。

使用(yòng)低损耗的层压板可(kě)以使板整體(tǐ)更薄，而不是通过使走線(xiàn)更宽并使用(yòng)低DK层压板来减少损耗。它还可(kě)以显着提高性能(néng)。

选择低Df层压板与低Dk低层压板所反映出的两个最明显的因素非常简单：低Df层压板有(yǒu)很(hěn)多(duō)货源，并且价格比低Dk层压板便宜得多(duō)。但是，更重要的是，它们提供了更好的性能(néng)。

利用(yòng)当今复杂的高速電(diàn)路板，产品开发人员一直在寻找改善产品整體(tǐ)性能(néng)的方法。通常，假设使用(yòng)低Dk层压板并增加走線(xiàn)的宽度将显着改善整體(tǐ)性能(néng)。Dk层压板是单一来源的，价格昂贵，交货时间長(cháng)。但是，详细的分(fēn)析表明，提高性能(néng)的更好方法是使用(yòng)更便宜，使用(yòng)范围更广的低Df层压板，该层压板还可(kě)以显着提高性能(néng)。