PCB材料特性及其對高頻板性能的影響

PCB材料的重要參數(shù)

影響線路衰減的一些重要的材料參數(shù)是：

介電材料的相對介電常數(shù)（ε r或 Er 或 Dk）

電介質(zhì)的損耗角正切（tan（δ） 或 Df）

受集膚效應(yīng)和表面粗糙度影響的導(dǎo)體電阻

是 PCB 的玻璃纖維編織成分。

充分了解傳輸線的這些特性和損耗機制可以幫助我們?yōu)槲覀兊膽?yīng)用選擇正確的 PCB 材料。材料選擇是PCB設(shè)計過程的步。如今，高速數(shù)字板和 RF 產(chǎn)品的設(shè)計人員可以從數(shù)十種受控 Dk 和低損耗 PCB 材料中進行選擇。許多層壓板供應(yīng)商已開發(fā)出專有的樹脂系統(tǒng)。

使用低 Dk 和 tan（δ） 材料來減少損耗

對于低損耗傳輸線，介電損耗（以 dB/英寸為單位）由以下公式給出：

αd（dB 每英寸）=2.32f tan（δ）√？r

αd（dB 每英寸）=2.32f tan（δ）？r

等式 1。

其中 f 是頻率，單位為 GHz?？梢钥闯觯殡姄p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tan（δ）較低的材料，并且ε r可以 盡可能地 限制？ d 。 建議用于極高 Gbps 收發(fā)器的三種材料選擇是Nelco 4000-13EPSI、Rogers 4350B 和 Panasonic Megtron 6。下面的圖 1 比較了這些材料與其他一些常見材料的損耗角正切。

圖 1. 不同 PCB 材料的損耗角正切與頻率的函數(shù)關(guān)系。圖片由英特爾提供

使用低 Dk 材料來減少電路板厚度

為了更好地理解如何使用低 Dk 材料來減少電路板厚度，請考慮圖 2 中所示的帶狀線。

圖 2. 帶狀線配置。圖片由Sierra Circuits提供

IPC 推薦的的帶狀線特性阻抗近似值是：

Z0=60？rln（2b+t0.8w+t）“ role=”presentation“ style=”box-sizing： inherit;

border： 0px; display： inline-block; line-height： 0; font-size：

18.08px; word-wrap： normal; word-spacing： normal; float：

none; direction： ltr; max-width： none; max-height：

none; min-width： 0px; min-height： 0px; margin：

0px; padding： 1px 0px; position：

relative;“》Z0=60√？rln（2b+t0.8w+t）Z0=60？rln（2b+t0.8w+t）等式 2。

在哪里：

t是金屬厚度（密爾）

w是線寬 （mil）

b是平面間距 （mil）

對于固定的 Z 0和走線寬度 w，如果我們使用具有較大 ε r 的 材料，那么我們必須增加平面之間的間距。換句話說，較大的ε r 可以增加板的整體厚度。在具有許多信號層的高密度電路板中，這會顯著增加電路板的厚度。較厚的電路板意味著您的設(shè)計需要具有較大縱橫比的過孔。通孔的縱橫比是其長度除以直徑。

例如，如果您的電路板厚度為 0.2”，通孔鉆孔直徑為 0.02”，則長寬比為 10:1。長寬比大有什么困難？回想一下，為了提供電氣連接，需要使用電鍍?nèi)芤涸谕變?nèi)部覆蓋銅。圖 3 顯示了縱橫比為 15:1 的電鍍孔的橫截面。

圖 3. 比例為 15:1 的高深寬比電鍍孔的橫截面。圖片由C. Coombs提供

大多數(shù) PCB 制造商都有能力創(chuàng)建縱橫比在 6:1 到 8:1 之間的過孔。隨著高寬比的增加，電鍍變得越來越困難，因為通孔筒的內(nèi)部可以具有更薄的銅涂層。這甚至?xí)雇?a target="_blank">中心在熱應(yīng)力下更容易破裂。因此，對于較大的縱橫比，您可能必須使用更昂貴的 PCB 制造技術(shù)，并且會對終電路板的可靠性產(chǎn)生擔憂。選擇較低 Dk 的材料可以在一定程度上緩解這些問題。