PCB高频技术研讨报告

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31.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。microstripstripline传输线模型基本传输线种类Microstrip微带线Stripline

带状线优点设计简单方面，PCB制作容易管控不易受外界讯号干扰缺点辐射损耗大，易于受外界讯号干扰对介层管控要求严格，受孔Stub影响较大。1.2高速信号和的传输线PlatformSDD21@4GHzSDD21@8GHzRomley-0.8dB/inch(SL)-0.84dB/inch(MS)-1.60dB/inch(SL)-1.68dB/inch(MS)Grantley-0.75dB/inch(SL)-0.79dB/inch(MS)-1.50dB/inch(SL)-1.58dB/inch(MS)Brickland-0.48dB/inch(SL)-0.96dB/inch(SL)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)，εr，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6c-25-20-15-10-500510152025Frequency,GHzInsertionLoss,dBDf=0.01Df=0.031.3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插入损耗导体热消耗反射介质损耗趋肤效应耦合、串扰辐射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：δ：趋肤深度μ：磁导率σ：电导率f：频率对于纯铜导线：μ=4πⅹ10-7H/mσ=5.8ⅹ107S/m则在1GHz频率下：δ铜=2.1um1.5趋肤效应122.高频应用领域基站天线卫星通讯民用/军用卫星通讯网络通讯交换器&路由器&服务器汽车电子汽车雷达&导航手机通讯4G/5G手机高频应用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。USB2.0(480Mbps)交换机(1Gbps)基站(2.3Gbps)IEEE1394(B)接口（3.2Gbps）光模块产品（6.25Gbps）高性能光模块（25Gbps）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14EqualizerPre-emphasisHDIBack-drillingCopperFoilResin(Dk/Df)Fabric(Dk/Df)RCPCBCCLDesignB/OxideHolequalityEtchingStublength3.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。154.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16H-TgFR4和LowLoss树脂对信号的影响4.1树脂的影响174.2RC对Dk&Df的影响不同RC含量对Dk的影响184.2RC对Dk&Df的影响不同RC含量对Df的影响194.2RC对Dk&Df的影响不同材料的RC含量对Df的影响20NEglass(Dk4.6)StandardEGlassDk6.64.3玻璃纤维布的影响21STDLDK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230.5dBinsertionlossimprovementobservedat15GHzUpto1dBinsertionlossimprovementin8inchtraceforVLPat15GHzRTF、VLP铜箔对Loss的影响比较RTFVLP4.4铜箔的影响244.5CCL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275.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295.2PCB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。Freq［GHz］S21

［dB］Stub长度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325.5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。33RO3003Megtron7AstraMegtron4GA880FR408HRTU872LKEM888SIT-150DA370HRTU862NP175FMIS415FR408EM-370DNPG170N185HRS1000NP175FNPG150NIT180IIT-158R1566W0.0040.0130.020I-Tera