材料特性如何影響高速PCB信號性能

2020-08-11

正如在涉及PCB設計和制造過(guò)程的各種資料中指出的那樣，在選擇層壓板時(shí)，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員需要熟悉多種材料屬性。PCB頻率越復雜且頻率越高，這些屬性就變得越關(guān)鍵。它們包括：

材料經(jīng)過(guò)層壓過(guò)程以及隨后的冷卻過(guò)程后如何收縮。

材料在層壓循環(huán)中的行為。

物料如何鉆孔。

怎樣制版。

Dk或介電常數e?在層壓板的各種厚度上如何變化以及它如何隨頻率變化。影響因素包括：

將材料（真空除外）的介電常數與真空進(jìn)行比較。

這種比較產(chǎn)生了一個(gè)e?，它表示了這些材料與真空相比對速度和電容的影響。

材料的Df或損耗角正切如何影響PCB的操作。

這是衡量RF信號中有多少能量在PCB的電介質(zhì)中損耗的度量。

當一種材料被稱(chēng)為高速時(shí)，這就是被參考的特性。

這些屬性如何影響這些？

支持將低Dk層壓板用于復雜PCB（如底板）的最初論點(diǎn)是，它可能更薄。希望使底板變薄的原因是，它更易于電鍍孔，從而降低了長(cháng)寬比，并且更適合用于連接諸如壓配合連接器的結構。另一個(gè)論點(diǎn)是，如果通孔較?。ㄓ捎陔娐钒遢^?。?，則它們的電容將較少，從而不會(huì )干擾高速信號。另一個(gè)考慮因素是，使用低Dk層壓板將允許更寬的走線(xiàn)，從而降低銅損。

根據上述參數，對低Dk和低DF材料進(jìn)行了比較研究。該研究中的信息及其結果將在本文的下一部分中介紹。

低介電材料的好處是什么？

低Dk層壓板的優(yōu)點(diǎn)及其在高速差分信號方面提供的優(yōu)勢包括：

如上所述，對于選擇來(lái)產(chǎn)生給定阻抗的給定走線(xiàn)寬度，在走線(xiàn)及其相鄰平面之間使用的層壓板可以更薄，從而使PCB整體更薄。

如果選擇F 或選擇產(chǎn)生給定阻抗的給定厚度的層壓板，走線(xiàn)寬度可以更寬。由于跡線(xiàn)中的趨膚效應損失，這導致較低的信號損失。

注意：在非常高的頻率下，導體的電流將不再均勻地流過(guò)導體的整個(gè)橫截面。相反，它在表面附近擁擠。這是皮膚效應喪失的現象。

前述好處似乎是基于以下理由使用低Dk材料的有力論據：

下面所示的等式1通常用于計算表面微帶傳輸線(xiàn)的阻抗。已經(jīng)證明它與現代PCB中使用的尺寸不正確，但是它說(shuō)明了Dk或e?如何影響阻抗。

等式中的變量為：H =平面上方的高度，W =跡線(xiàn)寬度，T =跡線(xiàn)厚度，e?=相對介電常數或Dk，Z?=阻抗（以歐姆為單位）。

請注意，降低e?會(huì )導致較高的阻抗，相反，提高e?會(huì )導致較低的阻抗。

如果使用較低的e層壓板，則對于給定的阻抗，走線(xiàn)寬度可以變寬，從而降低了銅損。

 

公式1.阻抗公式

導致低DK材料的大型，高層數背板的因素似乎很有吸引力 

在當今高性能產(chǎn)品中使用的較大的，高層數的背板，其中存在大量的高速差分對，例如Internet核心路由器和交換機，其厚度可高達400密耳（10毫米）。這種厚度帶來(lái)了兩個(gè)不同的問(wèn)題，包括：

通孔的鉆孔和電鍍可能很困難。

這些長(cháng)而大的孔的寄生電容可能會(huì )在非常高的數據速率下對信號質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，因此需要進(jìn)行“反向鉆孔”以去除孔中的大部分多余銅。

注意：利用當今產(chǎn)品的高數據速率，無(wú)法將背板做得足夠薄以避免執行背鉆過(guò)程。

較低的Dk層壓板將減少獲得所需阻抗所需的層壓板厚度，并降低PCB的整體厚度和空穴電容。

跡線(xiàn)寬度問(wèn)題包括：

從上面的方程式1可以看出，對于平面上方的給定高度，較低的Dk層壓板可以為給定的目標阻抗使用更寬的跡線(xiàn)。

如上所述，使用更寬的走線(xiàn)的動(dòng)機是通過(guò)增加走線(xiàn)的表面積來(lái)減少由“集膚效應”現象引起的信號損失。

根據前述內容，對于那些包含以高速差分信號為特征的高速背板的產(chǎn)品，使用低Dk層壓板似乎是“不費吹灰之力”的決定。當您考慮減少PCB的整體厚度并增加走線(xiàn)時(shí)，尤其如此。但是，就像生活中的大多數事物一樣，一切都有很多優(yōu)點(diǎn)的事物也都有缺點(diǎn)。在低Dk層壓板的情況下，問(wèn)題是成本（低Dk層壓板更昂貴），供應來(lái)源有限且交貨時(shí)間長(cháng)。從最近對COVID-19的影響來(lái)看，

如果有另一種方法怎么辦？

基于與低Dk層壓板相關(guān)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)的平衡，值得考慮一種替代方法。通過(guò)使用低損耗材料可以找到這種方法。損耗角正切或Tan（f）表示電磁場(chǎng)中通過(guò)電介質(zhì)吸收的能量的數量。并且吸收的能量隨頻率增加。

為了確定低Dk和低Df層壓板之間的性能特征，我們進(jìn)行了以下分析。

圖1中的曲線(xiàn)顯示了當走線(xiàn)寬度從5密耳（127微米）變化到10密耳（254微米）時(shí)，銅損耗的減少與33“（84 cm）帶狀線(xiàn)信號路徑走線(xiàn)寬度變化的關(guān)系?？梢钥闯?，兩個(gè)跡線(xiàn)寬度之間幾乎沒(méi)有差異。當然不足以帶來(lái)實(shí)質(zhì)性的改善。

圖1.銅損與 33英寸帶狀線(xiàn)信號路徑的走線(xiàn)寬度。跡線(xiàn)寬度變化，5密耳和10密耳

接下來(lái)，圖3顯示了22層板的堆疊，該板在106密耳（2.56毫米）厚的板上具有4密耳（101微米）寬的帶狀線(xiàn)跡線(xiàn)。

圖3. 22層，106密耳（2.56毫米）厚的板和4密耳（106微米）寬的帶狀線(xiàn)跡線(xiàn)

現在，我們將圖3與圖4進(jìn)行比較，圖22是一塊22層板的堆疊，該板上在160密耳（4毫米）厚的PCB上具有8密耳寬的帶狀線(xiàn)跡線(xiàn)。根據圖1、2、3和4中提供的信息，我們可以得出以下結論：

圖4. 22層，160密耳（4.4毫米）厚的板和8密耳（203微米）寬的帶狀線(xiàn)跡線(xiàn)

如果人們通過(guò)將跡線(xiàn)寬度從5 mils更改為10 mils（僅通過(guò)將Dk減小一半以上）來(lái)檢查2.5 GHz（大約5 Gb / S）時(shí)的損耗變化（僅通過(guò)將Dk減小一半以上），就可以將路徑上的損耗僅提高1 dB。長(cháng)33英寸（84厘米）。這不是實(shí)質(zhì)性的收獲。

如果通過(guò)使用損耗較低的疊層來(lái)檢查相同頻率下的損耗變化，則損耗降低為2 dB。

如果使用一種較新的超低損耗層壓板，則2.5 GHz的改善幅度超過(guò)6 dB。

圖3顯示，將走線(xiàn)寬度從4密耳增加到8密耳，會(huì )使22層PCB的厚度增加60％。

使用低Dk層壓板以允許使用更寬的跡線(xiàn)不會(huì )導致?lián)p耗的顯著(zhù)改善。

使用低損耗的層壓板可以使板整體更薄，而不是通過(guò)使走線(xiàn)更寬并使用低DK層壓板來(lái)減少損耗。它還可以顯著(zhù)提高性能。

選擇低Df層壓板與低Dk低層壓板所反映出的兩個(gè)最明顯的因素非常簡(jiǎn)單：低Df層壓板有很多貨源，并且價(jià)格比低Dk層壓板便宜得多。但是，更重要的是，它們提供了更好的性能。

利用當今復雜的高速電路板，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員一直在尋找改善產(chǎn)品整體性能的方法。通常，假設使用低Dk層壓板并增加走線(xiàn)的寬度將顯著(zhù)改善整體性能。Dk層壓板是單一來(lái)源的，價(jià)格昂貴，交貨時(shí)間長(cháng)。但是，詳細的分析表明，提高性能的更好方法是使用更便宜，使用范圍更廣的低Df層壓板，該層壓板還可以顯著(zhù)提高性能。