PCB設(shè)計(jì)中介電損耗角正切高速設(shè)計(jì)作用

當(dāng)今的高速PCB設(shè)計(jì)具有兩個(gè)因素：移動(dòng)大量數(shù)據(jù)和信號(hào)帶寬，頻率范圍高達(dá)非常高的頻率。結(jié)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(shè)計(jì)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上傳輸線的有效長(zhǎng)度，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致信號(hào)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(shè)計(jì)中的作用，它如何取決于玻璃與樹脂的比率和頻率，如何測(cè)量它以及對(duì)當(dāng)今產(chǎn)品的影響。對(duì)于以32 Gbps速度運(yùn)行的電路板，我們將研究為什么構(gòu)建測(cè)試板對(duì)于合格損耗正切的必要性。

介電損耗角正切有時(shí)稱為耗散因數(shù)，其符號(hào)為Df。在傳輸線的設(shè)計(jì)和RF設(shè)計(jì)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(dāng)一種材料被稱為“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?yàn)椴粩嘧兓碾姶艌?chǎng)導(dǎo)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(duì)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(shù)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(shù)的虛部和實(shí)部，則可以計(jì)算損耗角正切。如果查看PCB層壓板數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)PCB使用的頻率下?lián)p耗很小。

例如，考慮具有極性和非對(duì)稱結(jié)構(gòu)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(fù)端，氫原子為正端。當(dāng)水分子經(jīng)受變化的電場(chǎng)時(shí)，它會(huì)振動(dòng)。請(qǐng)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(dǎo)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(dá)到高溫。由于在極性分子的不同區(qū)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(shù)材料具有相對(duì)較高的損耗。（要?dú)w類為低損耗，損耗角正切應(yīng)低于.004。）

表1.某些常見(jiàn)層壓系統(tǒng)的特性

PCB設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)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長(zhǎng)度的函數(shù)，因此沒(méi)有簡(jiǎn)單的規(guī)則可用來(lái)確定何時(shí)必須進(jìn)行切換。

介電損耗角正切，頻率和玻璃與樹脂的比率

給定的PCB層壓板由樹脂體系和玻璃纖維增強(qiáng)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(dāng)信號(hào)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(tǒng)），這就會(huì)給信號(hào)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脂的比率變化。這是Isola Corporation的FR408HR核心材料的數(shù)據(jù)。

該表包含一個(gè)特性良好的PCB層壓板系統(tǒng)的示例。可以看出，介電損耗角正切隨頻率增加的幅度大于其隨玻璃與樹脂之比變化的幅度。這是因?yàn)椋谠擉w系中，樹脂體系和玻璃的損耗角正切非常接近。在其他樹脂體系中，這可能有所不同。

測(cè)量數(shù)字層壓板的介電損耗正切

本文末尾的參考文獻(xiàn)2顯示，IPC記錄了23種不同的方法來(lái)測(cè)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(duì)特定應(yīng)用開發(fā)的。由于首先需要低損耗層壓板的應(yīng)用是微波和RF，因此大多數(shù)測(cè)試方法已針對(duì)特定類型的電路（如相控陣?yán)走_(dá)）進(jìn)行了優(yōu)化。與超高速數(shù)字電路的需求相比，這些應(yīng)用可被視為“窄帶”。

這些方法中只有一種方法以可用于數(shù)字多層PCB設(shè)計(jì)的方式表征層壓板。已證明與帶狀線傳輸線構(gòu)造的PCB上進(jìn)行的實(shí)際測(cè)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型的測(cè)量單元，這些單元在狹窄的頻率范圍內(nèi)表征層壓板，并且它們都有一些誤差。

介電損耗正切數(shù)據(jù)不完整時(shí)該怎么辦？

典型的層壓板數(shù)據(jù)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(duì)高速數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)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(shè)計(jì)在最終構(gòu)建時(shí)能夠按規(guī)格工作？工程師在開發(fā)使用最新高速數(shù)據(jù)鏈路的產(chǎn)品時(shí)，都會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題。由于需要精確地考慮銅走線的損耗，這可能會(huì)更加復(fù)雜，銅走線的損耗受走線的總表面積以及銅表面粗糙度的影響。

即使準(zhǔn)確知道損耗角正切，也沒(méi)有可靠的方法可以對(duì)所有這些效應(yīng)進(jìn)行建模。因此，產(chǎn)品開發(fā)人員別無(wú)選擇，只能用實(shí)際的傳輸線構(gòu)造測(cè)試PCB。將其用于最終產(chǎn)品并進(jìn)行測(cè)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(dá)到目標(biāo)。這是為高性能系統(tǒng)構(gòu)建設(shè)計(jì)規(guī)則集的唯一安全方法。圖1是兩套實(shí)際測(cè)試PCB的照片，幾年前我們使用它們來(lái)驗(yàn)證超級(jí)計(jì)算機(jī)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(cè)試PCB的設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)路徑的測(cè)試PCB集

那么，如何為當(dāng)今的32 Gb / S和56 Gb / S數(shù)據(jù)路徑進(jìn)行設(shè)計(jì)呢？

當(dāng)您設(shè)計(jì)具有32 Gb / S或56 Gb / S數(shù)據(jù)路徑的產(chǎn)品時(shí)，您必須構(gòu)建測(cè)試板以確保產(chǎn)品能夠按設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)路徑，損耗正切就變得更加令人擔(dān)憂。您可以構(gòu)建類似于上述內(nèi)容的測(cè)試板。您只需測(cè)量更遠(yuǎn)的頻率即可。這些數(shù)據(jù)速率支配著產(chǎn)品的性能，它們決定了板上的路徑長(zhǎng)度。等式非常簡(jiǎn)單，路徑越長(zhǎng)，損失就越大?！?/p>

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(shù)量級(jí)。當(dāng)大型機(jī)器（例如用于掃描半導(dǎo)體的機(jī)器）之間存在盒對(duì)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?yàn)樵诼窂降拿恳欢硕急仨氂幸粋€(gè)收發(fā)器，每個(gè)收發(fā)器的價(jià)格為50美元。因此，激勵(lì)措施是留在銅中。在10 Gb / S服務(wù)器場(chǎng)中，我們對(duì)收發(fā)器進(jìn)行了改進(jìn)，以使我們可以通過(guò)100英尺長(zhǎng)的6類電纜進(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?！?br /> 編輯：hfy