高速PCB設(shè)計(jì)的材料注意事項(xiàng)

如果您想在任何努力中獲得最佳結(jié)果，則使用正確的設(shè)備是您最好的選擇。對(duì)于高速PCB設(shè)計(jì)，這當(dāng)然是正確的，因?yàn)檎_的設(shè)備意味著合適的組件，并且最好的板材。有許多材料上的考慮因素會(huì)影響高速PCB信號(hào)的性能，包括信號(hào)衰減和受控阻抗。首先，讓我們看一下影響性能的PCB材料特性；這樣一來(lái)，您將有更好的能力來(lái)選擇符合高速PCB設(shè)計(jì)要求的電路板材料。

高速PCB設(shè)計(jì)的材料屬性

在當(dāng)今的高頻信號(hào)和快速開(kāi)關(guān)設(shè)備的世界中，很可能已經(jīng)或?qū)⒁M(jìn)行高速PCB設(shè)計(jì)。構(gòu)成高速PCB的地方有些灰色。例如，有人說(shuō)，如果您的設(shè)計(jì)包含多個(gè)子電路，這些子電路在較大的總體設(shè)計(jì)中獨(dú)立運(yùn)行，那么您的工作速度就很高。其他人則將高速分類(lèi)為走線(xiàn)長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)，以使信號(hào)的上升時(shí)間至少達(dá)到三分之二。但是，大多數(shù)設(shè)計(jì)人員都會(huì)同意，信號(hào)頻率決定了高速。通常，這指的是超過(guò)50MHz的任何東西，但是被歸類(lèi)為“高速”的板通常設(shè)計(jì)為可容納500MHz至2GHz的頻率。這是因?yàn)樵谶@個(gè)近似的頻率范圍內(nèi)，信號(hào)完整性問(wèn)題 開(kāi)始影響PCB性能，電路板材料的選擇對(duì)整體電路板設(shè)計(jì)的影響更大。

在高頻下，信號(hào)完整性可能受到以下因素的影響： 板性能電氣的或機(jī)械的。其中最主要的是介電常數(shù)dk，損耗因子df，介電損耗，導(dǎo)體損耗，Ploss和PCB堆疊。為確保這些特性不會(huì)對(duì)信號(hào)完整性產(chǎn)生不利影響，請(qǐng)限制信號(hào)衰減（更準(zhǔn)確地說(shuō)，信號(hào)衰減隨頻率變化），并控制阻抗。

信號(hào)衰減–通常表示為指數(shù)衰減，這是指根據(jù)信號(hào)類(lèi)型或形式和頻率，信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間的降低。控制元素是基于系統(tǒng)阻抗（R + j X）的時(shí)間常數(shù),，就我們的目的而言，它是包含信號(hào)通過(guò)的走線(xiàn)或通道的板材。由于PCB可以歸類(lèi)為線(xiàn)性時(shí)不變系統(tǒng)1，因此可以使用以下方程式分析信號(hào)完整性的衰減效應(yīng)。

對(duì)于固定大小的信號(hào)（例如，數(shù)字開(kāi)關(guān)），V（t）= Vo（t）exp（-t / r）①

其中V（t）是時(shí)間t的信號(hào)強(qiáng)度

Vo（t）是初始信號(hào)強(qiáng)度

r是時(shí)間常數(shù)（通常由RC或L / R表示，具體取決于用于信號(hào)路徑的傳輸線(xiàn)模型）

V（t）= Vo（t）exp（-t / r）+（A /（jw+ t / r））（exp（jwt）– exp（-t / r）②對(duì)于模擬信號(hào)

其中A是模擬信號(hào)峰值幅度

w= 2πf是角頻率

對(duì)于等式①和②，時(shí)間常數(shù)越大，信號(hào)強(qiáng)度下降所需的時(shí)間越長(zhǎng)。

受控阻抗–阻抗控制是高速PCB設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素。為了獲得最佳信號(hào)完整性，希望在整個(gè)信號(hào)路徑中保持一致的阻抗，并使差分對(duì)的阻抗匹配。這可以通過(guò)使用相同的走線(xiàn)長(zhǎng)度，銅線(xiàn)重量以及信號(hào)走線(xiàn)和返回走線(xiàn)之間的固定距離來(lái)完成。防止阻抗不匹配將減少或消除傳輸線(xiàn)反射，從而減少信號(hào)幅度并引起頻移。

根據(jù)歐姆定律，我們知道電阻（阻抗的真實(shí)部分）會(huì)在整個(gè)距離上衰減信號(hào)強(qiáng)度。還已知阻抗（電抗）的虛部（源自電容和電感）會(huì)使信號(hào)偏離其基頻。為了減輕這些信號(hào)完整性問(wèn)題的影響，使用特性阻抗（Z0）來(lái)確定電路板屬性，例如dk，走線(xiàn)寬度和層厚度?；蛘呦喾?，針對(duì)給定的板材料屬性確定阻抗。

Z0 = [（R +jωL）/（G +jωC）] 0.5基本特性方程式③

有 封閉式解決方案到等式 （3）用于微帶，帶狀線(xiàn)和接地共面波導(dǎo)（GCPW）傳輸線(xiàn)模型類(lèi)型，包括單端和差分對(duì)。此外，免費(fèi)下載工具 可從羅杰斯公司獲得。

高速PCB設(shè)計(jì)材料選擇

在選擇用于高速PCB設(shè)計(jì)的材料之前，有必要確定一條或多條傳輸線(xiàn)的dk和Z0值。您的PCB設(shè)計(jì)軟件可能允許您設(shè)置這些值，并將它們包括在其中。設(shè)計(jì)文件為您的合同制造商（CM）。如果沒(méi)有，在線(xiàn)上有dk圖表和阻抗計(jì)算器可幫助您獲得正確的值。現(xiàn)在，您準(zhǔn)備為高速PCB設(shè)計(jì)材料選擇實(shí)施兩步解決方案！

步驟1：選擇板材的類(lèi)型

從推薦用于高頻PCB的類(lèi)型中選擇材料類(lèi)型。這包括選擇芯材，預(yù)浸料和基材材料。您可能能夠利用混合結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，為高頻選擇了信號(hào)層材料，但其他層則可以使用其他材料來(lái)降低制造成本。

步驟2：選擇板材的厚度和銅的重量

使用計(jì)算得出的或首選的dk和Z0值來(lái)選擇厚度和銅的重量。切記在整個(gè)信號(hào)路徑中保持阻抗一致性。