PCB設計層壓板中介電損耗正切的作用

2020-10-13

當今的高速PCB設計具有兩個(gè)因素：移動(dòng)大量數據和信號帶寬，頻率范圍高達非常高的頻率。結果，有幾件事會(huì )影響這兩個(gè)因素。在“如果您做得不好，您將死在水里”列表頂部的那些元素中，損失很小。在設計過(guò)程中有很多事情會(huì )影響損耗，但是要做出的基本決定是所選層壓板的介電損耗正切值。簡(jiǎn)而言之，介電損耗正切將限制PCB上傳輸線(xiàn)的有效長(cháng)度，因為它會(huì )導致信號電平在傳播過(guò)程中降低。

本文將介紹介電損耗角正切，它在高速設計中的作用，它如何取決于玻璃與樹(shù)脂的比率和頻率，如何測量它以及對當今產(chǎn)品的影響。對于以32 Gbps速度運行的電路板，我們將研究為什么構建測試板對于合格損耗正切的必要性。

介電損耗角正切有時(shí)稱(chēng)為耗散因數，其符號為Df。在傳輸線(xiàn)的設計和RF設計中，電介質(zhì)損耗角正切與黃褐色（定義δ ），這是在其中由電磁場(chǎng)（RF）通過(guò)電介質(zhì)行進(jìn)攜帶的能量由電介質(zhì)吸收的速率的量度。當一種材料被稱(chēng)為“高速”時(shí)，它就是Df值。需要牢記的一些要點(diǎn)包括：

在PCB和微波組件使用的頻率下，電介質(zhì)吸收的能量通常隨頻率增加，直到進(jìn)入高GHz范圍。

損耗隨頻率增大，這是因為不斷變化的電磁場(chǎng)導致電介質(zhì)中的分子振動(dòng)。它們振動(dòng)得越快，損失就越大（下文對此進(jìn)行了更多介紹）。

材料的損耗角正切值越低，功率損耗就越低。

就材料的介電常數而言，任何材料的介電損耗角正切都有一個(gè)簡(jiǎn)單的方程：

如果知道介電常數的虛部和實(shí)部，則可以計算損耗角正切。如果查看PCB層壓板數據表，通常會(huì )看到介電損耗正切值和Dk值。只需將它們相乘即可得到介電常數的虛部。

都是分子的

PCB中使用的頻率下電介質(zhì)的損耗是由于分子由相反的電荷形成而形成，該電荷可以相互吸引和排斥。如果分子中的原子由于電場(chǎng)而移離平衡狀態(tài)，則它可以開(kāi)始振蕩。所有材料都將具有一定的損耗角正切，即使在大多數PCB使用的頻率下?lián)p耗很小。

例如，考慮具有極性和非對稱(chēng)結構的水。有一個(gè)氧原子和兩個(gè)氫原子形成V形，其中氧原子為負端，氫原子為正端。當水分子經(jīng)受變化的電場(chǎng)時(shí)，它會(huì )振動(dòng)。請注意，分子動(dòng)能與溫度直接相關(guān)，因此，傳播場(chǎng)引起的分子振動(dòng)會(huì )導致基板中的溫度升高。這就是為什么微波爐可以工作的原因。食物中的水由于電場(chǎng)的振動(dòng)而達到高溫。由于在極性分子的不同區域中更大的電荷分離，所以分子與非極性分子相比可以具有更高的介電損耗角正切。

表1中的信息表明，用于制造多層PCB的大多數材料具有相對較高的損耗。（要歸類(lèi)為低損耗，損耗角正切應低于.004。）

表1.某些常見(jiàn)層壓系統的特性

PCB設計人員面臨的挑戰是確定一種材料何時(shí)損耗太大，必須用損耗更低的替代品來(lái)代替。由于損耗是頻率和傳輸線(xiàn)長(cháng)度的函數，因此沒(méi)有簡(jiǎn)單的規則可用來(lái)確定何時(shí)必須進(jìn)行切換。

介電損耗角正切，頻率和玻璃與樹(shù)脂的比率

給定的PCB層壓板由樹(shù)脂體系和玻璃纖維增強布制成，每一種都有不同的損耗角正切值。因此，由于使用不同比例的玻璃和樹(shù)脂來(lái)制作具有各種厚度的PCB層壓板，因此總損耗角正切值將有所變化。當信號完整性工程師僅獲得一組層壓板的單個(gè)損耗角正切值時(shí)（例如Panasonic及其Megtron 6材料系統），這就會(huì )給信號完整性工程師帶來(lái)問(wèn)題。表2顯示損耗角正切如何隨頻率和玻璃與樹(shù)脂的比率變化。這是Isola Corporation的FR408HR核心材料的數據。

該表包含一個(gè)特性良好的PCB層壓板系統的示例?？梢钥闯?，介電損耗角正切隨頻率增加的幅度大于其隨玻璃與樹(shù)脂之比變化的幅度。這是因為，在該體系中，樹(shù)脂體系和玻璃的損耗角正切非常接近。在其他樹(shù)脂體系中，這可能有所不同。

測量數字層壓板的介電損耗正切

本文末尾的參考文獻2顯示，IPC記錄了23種不同的方法來(lái)測量層壓板中的介電損耗角正切。這些方法中的每一種都是針對特定應用開(kāi)發(fā)的。由于首先需要低損耗層壓板的應用是微波和RF，因此大多數測試方法已針對特定類(lèi)型的電路（如相控陣雷達）進(jìn)行了優(yōu)化。與超高速數字電路的需求相比，這些應用可被視為“窄帶”。

這些方法中只有一種方法以可用于數字多層PCB設計的方式表征層壓板。已證明與帶狀線(xiàn)傳輸線(xiàn)構造的PCB上進(jìn)行的實(shí)際測試具有最佳關(guān)聯(lián)。所有其他方法都使用諧振腔或其他類(lèi)型的測量單元，這些單元在狹窄的頻率范圍內表征層壓板，并且它們都有一些誤差。

介電損耗正切數據不完整時(shí)該怎么辦？

典型的層壓板數據表沒(méi)有包含足夠的有關(guān)介電損耗的信息，因此無(wú)法對高速數字數據路徑中的潛在損耗進(jìn)行正確的建模和分析。那么，如何才能確保設計在最終構建時(shí)能夠按規格工作？工程師在開(kāi)發(fā)使用最新高速數據鏈路的產(chǎn)品時(shí)，都會(huì )出現這個(gè)問(wèn)題。由于需要精確地考慮銅走線(xiàn)的損耗，這可能會(huì )更加復雜，銅走線(xiàn)的損耗受走線(xiàn)的總表面積以及銅表面粗糙度的影響。 

即使準確知道損耗角正切，也沒(méi)有可靠的方法可以對所有這些效應進(jìn)行建模。因此，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員別無(wú)選擇，只能用實(shí)際的傳輸線(xiàn)構造測試PCB。將其用于最終產(chǎn)品并進(jìn)行測試以確定所考慮的層壓板的損耗與頻率的關(guān)系，并查看是否可以達到目標。這是為高性能系統構建設計規則集的唯一安全方法。圖1是兩套實(shí)際測試PCB的照片，幾年前我們使用它們來(lái)驗證超級計算機中的路徑為5.2 Gb / S和TB路由器中的路徑為4.8 Gb / S。這些測試PCB的設計使其在插入在一起時(shí)將創(chuàng )建子板/背板接口，以及從背板和子板到外界的接口。

圖2. 5.2 Gb / S和4.8 Gb / S數據路徑的測試PCB集

那么，如何為當今的32 Gb / S和56 Gb / S數據路徑進(jìn)行設計呢？

當您設計具有32 Gb / S或56 Gb / S數據路徑的產(chǎn)品時(shí)，您必須構建測試板以確保產(chǎn)品能夠按設計工作，這可能不足為奇。Speeding Edge的創(chuàng )始人兼總裁Lee Ritchey指出：“一旦進(jìn)入這些數據路徑，損耗正切就變得更加令人擔憂(yōu)。您可以構建類(lèi)似于上述內容的測試板。您只需測量更遠的頻率即可。這些數據速率支配著(zhù)產(chǎn)品的性能，它們決定了板上的路徑長(cháng)度。等式非常簡(jiǎn)單，路徑越長(cháng)，損失就越大。”

32 Gb / S和56 Gb / S的速度下，您將超越極限。” 相比之下，光纖通道的損耗要少兩個(gè)或三個(gè)數量級。當大型機器（例如用于掃描半導體的機器）之間存在盒對盒連接或截面到截面空間時(shí)，在很多地方都必須使用光纖。這是痛苦的昂貴，因為在路徑的每一端都必須有一個(gè)收發(fā)器，每個(gè)收發(fā)器的價(jià)格為50美元。因此，激勵措施是留在銅中。在10 Gb / S服務(wù)器場(chǎng)中，我們對收發(fā)器進(jìn)行了改進(jìn)，以使我們可以通過(guò)100英尺長(cháng)的6類(lèi)電纜進(jìn)行10 Gb / S的傳輸。但是，從10 Gb / S提升到56 Gb / S是一個(gè)巨大的飛躍。真正好的收發(fā)器只能處理大約30英寸。”