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技術專題
材料特性如何影響高速PCB信號性能
正如在涉及PCB設計和制造過程的各種資料中指出的那樣，在選擇層壓板時，產(chǎn)品開發(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鍵。它們包括：
材料經(jīng)過層壓過程以及隨后的冷卻過程后如何收縮。
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(shù)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(shù)與真空進行比較。
這種比較產(chǎn)生了一個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的電介質中損耗的度量。
當一種材料被稱為高速時，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。另一個論點是，如果通孔較小（由于電路板較薄），則它們的電容將較少，從而不會干擾高速信號。另一個考慮因素是，使用低Dk層壓板將允許更寬的走線，從而降低銅損。
根據(jù)上述參數(shù)，對低Dk和低DF材料進行了比較研究。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，對于選擇來產(chǎn)生給定阻抗的給定走線寬度，在走線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，走線寬度可以更寬。由于跡線中的趨膚效應損失，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導體的整個橫截面。相反，它在表面附近擁擠。這是皮膚效應喪失的現(xiàn)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(jù)：
下面所示的等式1通常用于計算表面微帶傳輸線的阻抗。已經(jīng)證明它與現(xiàn)代PCB中使用的尺寸不正確，但是它說明了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 =跡線寬度，T =跡線厚度，e?=相對介電常數(shù)或Dk，Z?=阻抗（以歐姆為單位）。
請注意，降低e?會導致較高的阻抗，相反，提高e?會導致較低的阻抗。
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(shù)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(shù)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）。這種厚度帶來了兩個不同的問題，包括：
通孔的鉆孔和電鍍可能很困難。
這些長而大的孔的寄生電容可能會在非常高的數(shù)據(jù)速率下對信號質量產(chǎn)生不利影響，因此需要進行“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(shù)據(jù)速率，無法將背板做得足夠薄以避免執(zhí)行背鉆過程。
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。
跡線寬度問題包括：
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。
如上所述，使用更寬的走線的動機是通過增加走線的表面積來減少由“集膚效應”現(xiàn)象引起的信號損失。
根據(jù)前述內(nèi)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時，尤其如此。但是，就像生活中的大多數(shù)事物一樣，一切都有很多優(yōu)點的事物也都有缺點。在低Dk層壓板的情況下，問題是成本（低Dk層壓板更昂貴），供應來源有限且交貨時間長。從最近對COVID-19的影響來看，
如果有另一種方法怎么辦？
基于與低Dk層壓板相關的優(yōu)點和缺點的平衡，值得考慮一種替代方法。通過使用低損耗材料可以找到這種方法。損耗角正切或Tan（f）表示電磁場中通過電介質吸收的能量的數(shù)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，我們進行了以下分析。
圖1中的曲線顯示了當走線寬度從5密耳（127微米）變化到10密耳（254微米）時，銅損耗的減少與33“（84 cm）帶狀線信號路徑走線寬度變化的關系。可以看出，兩個跡線寬度之間幾乎沒有差異。當然不足以帶來實質性的改善。
圖1.銅損與 33英寸帶狀線信號路徑的走線寬度。跡線寬度變化，5密耳和10密耳
接下來，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）寬的帶狀線跡線。
圖3. 22層，106密耳（2.56毫米）厚的板和4密耳（106微米）寬的帶狀線跡線
現(xiàn)在，我們將圖3與圖4進行比較，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密耳寬的帶狀線跡線。根據(jù)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）寬的帶狀線跡線
如果人們通過將跡線寬度從5 mils更改為10 mils（僅通過將Dk減小一半以上）來檢查2.5 GHz（大約5 Gb / S）時的損耗變化（僅通過將Dk減小一半以上），就可以將路徑上的損耗僅提高1 dB。長33英寸（84厘米）。這不是實質性的收獲。
如果通過使用損耗較低的疊層來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6 dB。
圖3顯示，將走線寬度從4密耳增加到8密耳，會使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不會導致?lián)p耗的顯著改善。
使用低損耗的層壓板可以使板整體更薄，而不是通過使走線更寬并使用低DK層壓板來減少損耗。它還可以顯著提高性能。
選擇低Df層壓板與低Dk低層壓板所反映出的兩個最明顯的因素非常簡單：低Df層壓板有很多貨源，并且價格比低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層壓板并增加走線的寬度將顯著改善整體性能。Dk層壓板是單一來源的，價格昂貴，交貨時間長。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提高性能。