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PCB材料

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PCB材料特性及其對(duì)高頻板性能的影響

發(fā)布日期:2024-02-20

了解PCB材料參數(shù)(如相對(duì)介電常數(shù)和損耗角正切)可以讓我們討論在設(shè)計(jì)高速/高頻應(yīng)用時(shí)選擇正確材料的一些重要考慮因素。

PCB材料的重要參數(shù)


影響生產(chǎn)線衰減的一些最重要的材料參數(shù)是:

  • 相對(duì)介電常數(shù) (εr或介電材料的 Er 或 Dk)

  • 電介質(zhì)的損耗角正切(tan(δ) 或 Df)

  • 受趨膚效應(yīng)和表面粗糙度影響的導(dǎo)體電阻

  • 最后是PCB的玻璃纖維編織組合物。

充分了解這些特性和傳輸線中的損耗機(jī)制可以幫助我們?yōu)槲覀兊膽?yīng)用選擇合適的 PCB 材料。材料選擇是PCB設(shè)計(jì)過程的第一步.如今,高速數(shù)字板和射頻產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員可以從數(shù)十種受控 Dk 和低損耗 PCB 材料中進(jìn)行選擇。許多層壓板供應(yīng)商已經(jīng)開發(fā)了專有的樹脂系統(tǒng)。

使用低 Dk 和 tan(δ) 材料以減少損失

對(duì)于低損耗傳輸線,介電損耗(以dB/英寸為單位)由以下公式給出:

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其中 f 是頻率,單位為 GHz。可以看出,介電損耗直接由材料的介電常數(shù)和損耗角正切決定。因此,我們可以使用具有較低棕褐色(δ)和ε的材料r限制 ?d盡可能多。推薦用于超高 Gbps 收發(fā)器的三種材料選擇是 Nelco 4000-13EPSI、Rogers 4350B 和 Panasonic Megtron 6。下圖 1 比較了這些材料與其他一些常見材料的損耗角正切。

損耗角正切隨頻率的變化,適用于不同的PCB材料

使用低 Dk 材料來減少電路板厚度

為為了更好地理解使用低 Dk 材料如何減少電路板厚度,請(qǐng)考慮圖 2 所示的帶狀線。

帶狀線配置

帶狀線配置

IPC推薦的帶狀線特征阻抗最流行的近似值是:

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  • t 是金屬厚度 (mil)

  • w 是線寬 (mil)

  • b 是平面間距 (mil)

對(duì)于固定的 Z

對(duì)于固定的 Z0和跡線寬度 w,如果我們使用具有更大ε的材料r,那么我們必須增加平面之間的間距。換句話說,更大的εr可以增加板材的整體厚度。在具有許多信號(hào)層的高密度電路板中,這可以顯著增加電路板厚度。較厚的電路板意味著您的設(shè)計(jì)需要具有更大縱橫比的通孔。過孔的縱橫比是它的長(zhǎng)度除以它的直徑。


例如,如果您的板厚度為 0.2 英寸,通孔鉆直徑為 0.02 英寸,則縱橫比為 10:1。擁有大縱橫比的難點(diǎn)是什么?回想一下,為了提供電氣連接,通孔的內(nèi)部需要使用電鍍液用銅覆蓋。圖 3 顯示了縱橫比為 15:1 的電鍍孔的橫截面。


高長(zhǎng)寬比電鍍孔的橫截面,比例為 15:1

高長(zhǎng)寬比電鍍孔的橫截面,比例為 15:1

大多數(shù) PCB 制造商都能夠創(chuàng)建縱橫比介于 6:1 和 8:1 之間的通孔.隨著縱橫比的提高,電鍍變得越來越困難,因?yàn)橥淄驳膬?nèi)部可以有更薄的銅涂層。這甚至?xí)惯^孔的中心在熱應(yīng)力下更容易開裂。因此,對(duì)于較大的縱橫比,您可能不得不使用更昂貴的 PCB 制造技術(shù),并且最終電路板存在可靠性問題。選擇低 Dk 材料可以在一定程度上緩解這些問題。


介電常數(shù)隨頻率變化

PCB材料的介電常數(shù)是頻率的函數(shù)。下圖 4 顯示了一些常見 PCB 層壓板的介電常數(shù)的頻率依賴性。

介電常數(shù)與頻率的函數(shù)關(guān)系

介電常數(shù)與頻率的函數(shù)關(guān)系

Dk 變體的后果是什么?介電常數(shù)影響兩個(gè)重要參數(shù):特性阻抗和波速。信號(hào)通過傳輸線的傳播速度由下式給出:

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其中 

其中 c 是真空中的光速。

由于 Dk 的變化,信號(hào)的不同頻率分量可能會(huì)經(jīng)歷略有不同的信號(hào)速度,從而導(dǎo)致信號(hào)色散。此外,隨著 Dk 隨頻率降低,線路的特征阻抗增加(公式 2)。因此,這會(huì)降低較高頻率下的信號(hào)反射。因此,最好使用在目標(biāo)頻率范圍內(nèi)具有更平坦的 Dk 與頻率響應(yīng)的材料。


圖 4 顯示 FR4 系列材料的 Dk 與頻率響應(yīng)的變化相對(duì)較大。這就是為什么建議在高速/高頻應(yīng)用中避免使用此類材料的原因(另一個(gè)原因是 FR4 系列 PCB 層壓板的高介電損耗)。請(qǐng)注意,不幸的是,大多數(shù)制造商僅在幾個(gè)特定頻率下指定 Dk 值。

介電常數(shù)隨樹脂含量而變化

PCB材料是一種纖維/樹脂復(fù)合材料,可以使用不同密度的編織

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樹脂的介電常數(shù)小于纖維的介電常數(shù)。這就是為什么增加樹脂含量會(huì)降低 PCB 層壓板的有效 Dk 的原因。圖6顯示了FR408HR層壓板的介電常數(shù)如何隨樹脂含量而變化。

相對(duì)介電常數(shù)與PCB層壓樹脂含量的關(guān)系

相對(duì)介電常數(shù)與PCB層壓樹脂含量的關(guān)系

因此,除了測(cè)量頻率外,層壓板供應(yīng)商還應(yīng)指定相應(yīng)的樹脂含量。表 1 給出了 Hi Tg FR4 層壓板在兩種不同頻率(1 MHz 和 1 GHz)下不同結(jié)構(gòu)和樹脂含量的介電常數(shù)。

不同Hi Tg FR4層壓板的電常數(shù)

不同Hi Tg FR4層壓板的電常數(shù)

該表清楚地表明,給定的層壓板厚度可以具有不同的介電常數(shù)。例如,0.004 英寸厚層壓板的介電常數(shù)可以從 4.11 到 4.54 不等。原因是 0.004 英寸厚層壓板的可用變體使用不同樣式的編織玻璃,并且具有不同的玻璃與樹脂比例。

纖維編織效果

如圖 5 所示,PCB 層壓板和芯由浸有樹脂的編織玻璃制成。這使得材料本質(zhì)上是不均勻的和各向異性的。換句話說,電路板的某些區(qū)域可能以玻璃為主,而其他一些區(qū)域則富含樹脂。這可能會(huì)在要求苛刻的應(yīng)用程序中引起問題。為了更好地理解這一點(diǎn),請(qǐng)考慮下面顯示的兩個(gè)跟蹤。

編織玻璃PCB材料的高分辨率圖像

在上圖中,跡線 1 位于纖維束上,而跡線 2 位于富含樹脂的區(qū)域。這表明,根據(jù)位置的不同,同一電路板上的兩條走線可能會(huì)經(jīng)歷不同的有效介電常數(shù)。因此,同一電路板上兩條路徑的信號(hào)速度可能不同,這可能導(dǎo)致高速電路板中的時(shí)序偏移。有幾種不同的

在上圖中,跡線 1 位于纖維束上,而跡線 2 位于富含樹脂的區(qū)域。這表明,根據(jù)位置的不同,同一電路板上的兩條走線可能會(huì)經(jīng)歷不同的有效介電常數(shù)。因此,同一電路板上兩條路徑的信號(hào)速度可能不同,這可能導(dǎo)致高速電路板中的時(shí)序偏移。有幾種不同的玻璃編織樣式,其中一些如圖 5 所示。如您所見,材料的不均勻性取決于玻璃編織的類型和編織間隙的大小。稀疏編織的材料,如 106 和 1080 玻璃布,與更緊密的編織樣式相比,會(huì)產(chǎn)生更大的時(shí)間偏差。加劇的EMI和損耗問題是稀疏編織材料的另外兩個(gè)不良影響。

除了使用玻璃分布更均勻的玻璃編織樣式外,我們還可以使用一些走線布線技術(shù)來獲得更一致的 Dk。例如,我們可以以相對(duì)于纖維翹曲/填充的角度布線和/或使用鋸齒形布線樣式來在一定程度上減輕玻璃編織效應(yīng)。請(qǐng)注意,鋸齒形布線會(huì)占用寶貴的電路板空間,并因使用較長(zhǎng)的走線而增加損耗,而只能部分解決問題。

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