PCB基板材料的介電常數(shù)和信號(hào)完整性

PCB設(shè)計(jì)人員通常會(huì)忽略的PCB基板材料的一個(gè)方面是基板介電常數(shù)對(duì)PCB中信號(hào)完整性的影響。色散存在于任何材料中，這會(huì)使數(shù)字信號(hào)失真，尤其是在設(shè)備以非常高的速度切換時(shí)。設(shè)計(jì)人員在為其下一個(gè)設(shè)備選擇合適的基板時(shí)，需要在成本，性能和其他材料特性之間進(jìn)行權(quán)衡。

您應(yīng)該使用高k或低k PCB基板材料嗎？

回答這個(gè)問(wèn)題實(shí)際上是在考慮介電常數(shù)和其他PCB基板材料屬性之間的折衷。一些PCB基板材料（例如Rogers高速層壓板或其他陶瓷材料）具有更理想的光學(xué)特性，但成本更高。這些其他材料在制造過(guò)程中可能更難以使用，因此它們也帶來(lái)更高的制造成本。某些PCB基板材料更適合與RF電路和組件配合使用，并且可能是在極高速度和高頻下運(yùn)行的關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用的最佳選擇。

雖然我們通常考慮介電常數(shù)的虛部，但從布局的角度來(lái)看，實(shí)部（即折射率）也很重要。介電常數(shù)的實(shí)部決定電磁波在材料中傳播的速度，而虛部則決定電磁波在材料中傳播的增益或損耗。就PCB設(shè)計(jì)而言，介電常數(shù)和走線(xiàn)幾何形狀將決定信號(hào)如何沿走線(xiàn)傳播。

標(biāo)準(zhǔn)FR4基板的介電常數(shù)約為4.5，盡管基板中使用的編織圖案會(huì)影響介電常數(shù)的精確值。陶瓷填充的PTFE基板的介電常數(shù)可以從?3調(diào)整到?10，并且通過(guò)使用不同的填料和粘結(jié)材料可以將損耗降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。調(diào)整對(duì)PCB基板材料中的分散性的影響各不相同，盡管最好的材料制造商將掌握這些數(shù)據(jù)以供設(shè)計(jì)人員使用。

實(shí)際部分：傳播延遲和阻抗

如果您記得物理學(xué)上的101類(lèi)，那么您就會(huì)知道折射率（即介電常數(shù)的實(shí)部的平方根）決定了電磁波在材料中傳播的速度。跡線(xiàn)上的信號(hào)速度取決于有效介電常數(shù)，該有效介電常數(shù)由跡線(xiàn)的幾何形狀和PCB基板材料的介電常數(shù)確定。

注意，對(duì)于給定的基板材料，帶狀線(xiàn)的有效介電常數(shù)將大于微帶線(xiàn)。如果查看微帶線(xiàn)和帶狀線(xiàn)的阻抗方程式，則意味著在特征阻抗計(jì)算中不應(yīng)包括介電常數(shù)的虛部。相反，阻抗僅由基板介電常數(shù)的實(shí)部和走線(xiàn)幾何形狀確定。

走線(xiàn)上的信號(hào)速度會(huì)影響到傳輸線(xiàn)行為的轉(zhuǎn)變。跡線(xiàn)越長(zhǎng)，信號(hào)的傳播時(shí)間就越長(zhǎng)?？紤]傳輸線(xiàn)效應(yīng)以及阻抗匹配和端接要求的關(guān)鍵閾值是傳播延遲大于信號(hào)上升時(shí)間的?35％。

虛部：損耗正切，寄生和損耗

介電常數(shù)的虛部（也稱(chēng)為耗散因數(shù)或損耗角正切）決定了信號(hào)在走線(xiàn)時(shí)的損耗。總體上，帶電磁波的走線(xiàn)有三種主要的損耗來(lái)源：

l介電損耗：這是由于PCB基板材料中感應(yīng)極化波的大小和相位而引起的。這與介電常數(shù)的虛部有關(guān)，虛部與襯底的電導(dǎo)率成比例。

l跡線(xiàn)中的電阻加熱：由于跡線(xiàn)中的薄層電阻，一些電磁能被轉(zhuǎn)換為熱量。注意，由于集膚效應(yīng)，在高頻下，跡線(xiàn)的薄層電阻可能會(huì)很大。

l寄生：基板具有一些殘余電導(dǎo)，這允許信號(hào)中的某些電流流向返回線(xiàn)。襯底介電常數(shù)的實(shí)部也決定了寄生電容。這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)共同確定損耗正切。

通常不考慮的其他三個(gè)損失來(lái)源是：

l插入損耗：這在傳輸線(xiàn)中很重要，與特性阻抗，信號(hào)頻率，走線(xiàn)幾何形狀和有效介電常數(shù)有關(guān)。

l輻射損耗：任何振蕩電流都會(huì)發(fā)射電磁波，從而將能量帶離電路。

l導(dǎo)體的粗糙度：電磁場(chǎng)將集中在導(dǎo)體的粗糙邊緣附近，從而導(dǎo)致這些區(qū)域的電阻損耗更大。

PCB中走線(xiàn)的傳輸線(xiàn)模型和阻抗模型通常會(huì)省略介電常數(shù)的虛部，但是走線(xiàn)的幾何形狀和嵌入PCB基板材料中的幾何形狀會(huì)通過(guò)更改有效介電常數(shù)（實(shí)部和虛部）來(lái)影響損耗。

微帶上的信號(hào)比帶狀線(xiàn)上的信號(hào)損耗更低，因?yàn)閹罹€(xiàn)跡線(xiàn)被電介質(zhì)包圍。這是因?yàn)樵摬ú糠滞ㄟ^(guò)導(dǎo)線(xiàn)周?chē)碾娊橘|(zhì)行進(jìn)，并且會(huì)遭受基板的電介質(zhì)損耗。由于導(dǎo)體與PCB基板材料之間的界面處的連續(xù)性，這些波將耦合回到跡線(xiàn)中，這決定了信號(hào)沿導(dǎo)體導(dǎo)引時(shí)的損耗。當(dāng)與電阻加熱一起考慮時(shí)，這解決了上面的前兩點(diǎn)。

當(dāng)與介電常數(shù)的實(shí)部一起考慮時(shí)，分別與實(shí)部和虛部相關(guān)的襯底的寄生電容和電導(dǎo)率確定損耗角正切?？梢杂靡韵鹿絹?lái)總結(jié)：

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最初可以得出的結(jié)論是，生產(chǎn)出的體積較小且必須在非常高的速度或頻率下保持信號(hào)完整性的設(shè)備應(yīng)使用損耗較低的材料。從傳播延遲的角度來(lái)看，使用較低的介電常數(shù)是有益的，盡管它會(huì)對(duì)PCB中走線(xiàn)和傳輸線(xiàn)的特征阻抗產(chǎn)生混合影響。需要仔細(xì)建模才能確定下一個(gè)高速或高頻系統(tǒng)介電常數(shù)的實(shí)部和虛部的可接受范圍。

隨著設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜，并正確地建模PCB基板材料的介電常數(shù)，診斷信號(hào)完整性問(wèn)題可能會(huì)非常棘手。強(qiáng)大的信號(hào)完整性和功率完整性工具在Sigrity的寬帶SPICE包為設(shè)計(jì)者提供了他們需要診斷介電常數(shù)對(duì)信號(hào)完整性的高速和高頻系統(tǒng)的影響的工具。這種獨(dú)特的工具考慮了用于各種電路分析的一系列IC封裝。