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1 高频技术研讨报告 制作 卞华昊23 Feb 2017 2 高频信号基础高频应用领域对损耗的影响因子CCL基材对损耗的影响PCB制作对损耗的影响我司高频材料Df等级 目录 3 1 高频信号基础 高频信号 顾名思义就是频率较高的信号 在电子学上和高速数字设计领域 分别有不同的判断标准 通常当F 100MHz的时候 或信号上升时间小于3 185ns左右的时候 认为是高频电路 频率 是指单位时间内完成振动的次数 是描述振动物体往复运动频繁程度的量 常用符号F frequency 表示 基本单位是赫兹 Hz 简称赫 常用千赫 KHz 或兆赫 MHz 或吉赫 GHz 做单位 1 1高频的定义 4 对于高速产品 并没有明确定义 一般认为对损耗有特定要求的产品为高速产品 基本传输线种类 1 2高速信号和的传输线 5 介电常数 Dk 准确讲应该称为相对介电常数 绝缘材料的容电率与真空或干燥空气的容电率相对比 即成了所谓的 相对容电率 RelativePermittivity r 也就是所谓的Dk值或称介质系数 Dielectricconstant 从信号传输品质的角度来看 介电常数的含义可以理解为介质对电荷的吸附能力 介电常数越大 其对信号的吸附能力越强 可供使用的信号余量便越小 介电能力即相当于容电能力 介电能力对比 左 和线路传输模型 右 1 3介电常数 Dk 和损耗因子 Df Dk定义 6 1 3介电常数 Dk 和损耗因子 Df Dk与InsertionLoss关系 7 损耗因子 Df 即为散失因子 dissipationfactor 表示信号传输时在介质中损失掉的能量 loss 将这个损失掉的能量与未损失的能量 stored 对比时 即得到Df 介质损耗因子与频率的相关性 1 3介电常数 Dk 和损耗因子 Df Df定义 8 插入损耗 简称插损 数学描述为S21 或insertionloss 在二端口网络中 S21定义为从端口2出来的正弦波和从端口1进入的正弦波的比值 端口一 端口二 入射信号 反射信号 接收信号 简单二端口网络示意图 相位差 幅度 1 4插入损耗的概念 9 介质中粒子振动导致 阻抗不连续 导线发热 能量向环境中发射 与邻近传输线干扰作用 增加导体阻抗消耗能量 1 4插入损耗的概念 10 无损传输线是不存在的 通路上的每一个节点都会造成损耗 损耗受控是一个真正的挑战 右图为传输线中主要插入损耗来源于传输的信号频率之间关系示意图 1 4插入损耗的概念 11 高速或高频情况下 主要受趋肤效应影响 信号在导体中传输感受到的阻抗将远大于导体在直流情况下的电阻 导体的趋肤效应 红色表示电流密度最大 蓝色表示最小 趋肤深度 趋肤深度 磁导率 电导率f 频率 对于纯铜导线 4 10 7H m 5 8 107S m 则在1GHz频率下 铜 2 1um 1 5趋肤效应 12 2 高频应用领域 高频应用 13 目前几乎所有高速存储器 服务器 路由器以及很多消费电子产品都具有高传输速率的特性 PCB产业也已迈进高速的方向 一些高速电子产品和设备及其传输速率 2 高频应用领域 Df介于0 01 0 005电路板材适合上限为10Gbps数字电路Df介于0 005 0 003电路板材适合上限为25Gbps数字电路Df介于0 0015电路板材适合上限为50Gbps数字电路 14 EqualizerPre emphasisHDIBack drilling CopperFoilResin Dk Df Fabric Dk Df RC B OxideHolequalityEtchingStublength 3 对损耗的影响因子 随着信号频率的增加 除了设计端关于信号加重 滤波等方式优化降低信号传输的损耗外 PCB基材介质和导线都会吸收能量 以及PCB加工过程中对材料的处理也会造成信号损耗的问题 15 4 CCL基材对损耗的影响 4 1树脂的影响 不同树脂体系成本 LossTangent关系 16 H TgFR4和LowLoss树脂对信号的影响 4 1树脂的影响 17 4 2RC对Dk Df的影响 不同RC含量对Dk的影响 18 4 2RC对Dk Df的影响 不同RC含量对Df的影响 19 4 2RC对Dk Df的影响 不同材料的RC含量对Df的影响 20 NEglass Dk4 6 StandardEGlass Dk6 6 4 3玻璃纤维布的影响 21 STDLDK 标准 Low DK玻纤对信号的影响比较 4 3玻璃纤维布的影响 22 高速信号下 受趋肤效应 深度的影响 铜牙长度直接关系到信号传输质量 4 4铜箔的影响 23 RTF VLP铜箔对Loss的影响比较 RTFVLP 4 4铜箔的影响 24 4 5CCL基材的损耗 传统FR4基材损耗 25 Mid Loss基材损耗 4 5CCL基材的损耗 26 Low Loss基材损耗 4 5CCL基材的损耗 27 5 PCB制作对损耗的影响 通孔孔径通孔长度通孔Stub内层孔环表面处理 28 通孔孔径的不同对电路的损耗也有不同的影响 从下图可以看出 随着通孔直径的增大 其引起了更大的插入损耗 随着频率的增加 不同通孔孔径对插入损耗的差异也越来越大 5 1通孔孔径对损耗的影响 29 5 2PCB通孔孔长对损耗的影响 PCB通孔孔长分别为0 8 1 3 1 8 2 3 2 8mm进行测试对插入损耗的影响 从下图可以看出 PCB通孔的长度约长 它所引起的插入损耗越大 所以建议在PCB设计中 通孔的长度应控制在1 3mm左右 30 从如下曲线图中可以看出的随着频率的增加 不同Stub长度对Insertion Loss影响越大 改用Back Drilling方式作业可控制Stub长度 能有效改善Insertion Loss 5 3Stub对损耗的影响 31 从如下曲线图中可以看出的随着频率的增加 不同Stub长度对Insertion Loss影响越大 改用Back Drilling方式作业可控制Stub长度 能有效改善Insertion Loss 5 4内层孔环对损耗的影响 32 5 5表面处理对损耗的影响 PCB的表面加工处理也对电路的损耗有影响 特别是在高频阶段 不同的表面处理工艺对PCB的损耗产生不同的影响 大部分PCB表面处理的导电性都比铜箔的导电性差 导电性越差产生的导体损耗越高 从而电路的插入损耗也越大 如左图可以看出 化学镍金具有最高的插入损耗 而有机保焊膜 化学沉银的插入损耗基本与裸铜相当 33 RO3003 Megtron7 Astra Megtron4 GA880 FR408HR TU872LK EM888S IT 150DA 370HR TU862 NP175FM IS415 FR408 EM 370D NPG170N 185HR S1000 NP175F NPG150N IT180I IT 158 R1566W 0 004 0 013 0 020 I Tera RO4350 TU 883 IT 968 M6 M6G 0 008 0 023 SuperL loss