PCB材料特性及其对高频板性能的影响

PCB材料的重要参数

影响线路衰减的一些重要的材料参数是： 

•  介电材料的相对介电常数（ε r或 Er 或 Dk）
• 电介质的损耗角正切（tan(δ) 或 Df）
• 受集肤效应和表面粗糙度影响的导体电阻 
• 是 PCB 的玻璃纤维编织成分。

充分了解传输线的这些特性和损耗机制可以帮助我们为我们的应用选择正确的 PCB 材料。材料选择是PCB设计过程的步。如今，高速数字板和 RF 产品的设计人员可以从数十种受控 Dk 和低损耗 PCB 材料中进行选择。许多层压板供应商已开发出专有的树脂系统。 

使用低 Dk 和 tan(δ) 材料来减少损耗

对于低损耗传输线，介电损耗（以 dB/英寸为单位）由以下公式给出：

αd(dB 每英寸)=2.32f tan(δ)√?rαd(dB 每英寸)=2.32ftan(δ)?r

等式 1。

其中 f 是频率，单位为 GHz。可以看出，介电损耗直接由材料的介电常数和损耗角正切决定。因此，我们可以使用tan(δ)较低的材料，并且ε r可以 尽可能地 限制? d 。 建议用于极高 Gbps 收发器的三种材料选择是Nelco 4000-13EPSI、Rogers 4350B 和 Panasonic Megtron 6。下面的图 1 比较了这些材料与其他一些常见材料的损耗角正切。

图 1. 不同 PCB 材料的损耗角正切与频率的函数关系。图片由英特尔提供

使用低 Dk 材料来减少电路板厚度

为了更好地理解如何使用低 Dk 材料来减少电路板厚度，请考虑图 2 中所示的带状线。

图 2. 带状线配置。图片由Sierra Circuits提供

IPC 推荐的的带状线特性阻抗近似值是：

$$Z_0=\frac{60}{\sqrt{{?}_r}}ln(\frac{2b+t}{0.8w+t})$$

等式 2。

在哪里：

• t是金属厚度（密尔）
• w是线宽 (mil)
• b是平面间距 (mil)

对于固定的 Z 0和走线宽度 w，如果我们使用具有较大 ε r 的 材料，那么我们必须增加平面之间的间距。换句话说，较大的ε r 可以增加板的整体厚度。在具有许多信号层的高密度电路板中，这会显着增加电路板的厚度。较厚的电路板意味着您的设计需要具有较大纵横比的过孔。通孔的纵横比是其长度除以直径。

例如，如果您的电路板厚度为 0.2”，通孔钻孔直径为 0.02”，则长宽比为 10:1。长宽比大有什么困难？回想一下，为了提供电气连接，需要使用电镀溶液在通孔内部覆盖铜。图 3 显示了纵横比为 15:1 的电镀孔的横截面。

图 3. 比例为 15:1 的高深宽比电镀孔的横截面。图片由C. Coombs提供

大多数 PCB 制造商都有能力创建纵横比在 6:1 到 8:1 之间的过孔。随着高宽比的增加，电镀变得越来越困难，因为通孔筒的内部可以具有更薄的铜涂层。这甚至会使通孔中心在热应力下更容易破裂。因此，对于较大的纵横比，您可能必须使用更昂贵的 PCB 制造技术，并且会对终电路板的可靠性产生担忧。选择较低 Dk 的材料可以在一定程度上缓解这些问题。