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    高速PCB設計如何正確選擇PCB板材?

    發布時間 :2019-07-01 17:46 閱讀 : 來源 :技術文章責任編輯 :深圳宏力捷PCB設計部
    隨著數字系統的高速化發展,以前被認為微不足道的傳輸線損耗問題,現正在成為PCB設計的首要關注點。在時鐘頻率高于1GHz時,頻率相關性傳輸損耗的影響已經實實在在發生了,特別是高速 SerDes 接口,信號具有非??斓纳仙龝r間,數字信號可以攜帶比自身重復頻率更高頻的能量,這些較高的高頻能量成分,用來構造理想的快速轉換的數字信號。今天的高速串行總線,在時鐘速率的第 5 次諧波上往往有大量的能量集中。
     
    現在有許多高速數字應用,速度為10 Gbit/s或更高。 這些應用使用5 GHz的基頻和15 GHz,25 GHz等的諧波。在此頻率范圍內,大多數常見的PCB材料在介質損耗(Df)方面會有非常顯著的差異,并導致嚴重的信號完整性的問題。這是高速數字PCB使用專為高頻應用而設計的特殊板材的原因之一。 這些材料的配方具有低損耗因數,在很寬的頻率范圍內具有最小的變化。 這些板材過去常用于高頻RF應用,甚至現在用于77 GHz及更高的應用。 除了介質損耗因素的改進外,這些板材還配有嚴格的厚度控制和Dk控制,更佳有利于保障信號完整性。
     
    高速PCB設計如何正確選擇PCB板材?
     
    2019臺北電腦展上AMD發布第三代Ryzen銳龍處理器的情況,AMD采用7納米的CPU除了在性能上開始壓制英特爾之外,其配套的X570 芯片組也引入了對 PCIe 4.0 的支持,采用PCIe 4.0 NVMe的SSD也開始陸續推向市場,而預計兩年后,PCIe 5.0規范也將發布。
     
    PCIe 5.0 的數據速率將達到恐怖的 32GT/s,從而加重頻率相關的插入損耗。選擇的 PCB 材料會對各個區域的插入損耗產生巨大影響。
     
    如果在設計PCB時不考慮板材對高速信號的影響,老司機也會翻車!
     
    選擇PCB板材時必須在滿足PCB設計需求、可量產性、成本中間取得平衡點。簡單而言,設計需求包含電氣和結構可靠性這兩部分。通常在設計非常高速的PCB板子(大于GHz的頻率)時板材問題才會比較重要。例如,現在常用的FR-4材質,在幾個GHz的頻率時的介質損耗Df(Dielectricloss)會很大,可能就不適用。
     
    高速數字電路運行速度是PCB選擇考慮的主要因素,電路的速率越高,所選PCB的Df值就應該越小。具有中,低損耗的電路板材將適合10Gb/S的數字電路;具有更低損耗的板材適用25Gb/s的數字電路;具有超低損耗板材將適應更快的高速數字電路,其速率可以為50Gb/s或者更高。
     
    從材料Df看:
     
      Df介于0.01~0.005電路板材適合上限為10Gb/S數字電路;
      Df介于0.005~0.003電路板材適合上限為25Gb/S數字電路;
      Df不超過0.0015的電路板材適合50Gb/S甚至更高速數字電路。
     
    常用的高速板材有:
     
      1)、羅杰斯Rogers:RO4003、RO3003、RO4350、RO5880等
      2)、臺耀TUC:Tuc862、872SLK、883、933等
      3)、松下Panasonic:Megtron4、Megtron6等
      4)、Isola:FR408HR、IS620、IS680等
      5)、Nelco:N4000-13、N4000-13EPSI等
      6)、東莞生益、泰州旺靈、泰興微波等
     
    對于高速PCB而言,在設計時需要考量材料的選擇及設計等是否滿足信號完整性要求,這就要求盡量減小信號的傳輸損耗。
    高速PCB設計如何正確選擇PCB板材?
     
    PCB傳輸損耗主要由介質損耗、導體損耗和輻射損耗三部分組成。
     
    當高頻信號在 PCB 上從驅動器沿較長的傳輸線傳輸到接收器時,介質材料的損耗因數對信號的影響非常大。較大的損耗因數意味著較高的介質吸收。損耗因數較大的材料會影響長傳輸線上的高頻信號。介質吸收增大了高頻衰減。
     
    PCB 最常用的介質材料是 FR-4,它采用了環氧樹脂玻璃疊層,可滿足多種工藝條件要求。FR-4 的 εr 在 4.1 和 4.5 之間。GETEK 是另一種可以用于高速電路板的材料。GETEK 由環氧樹脂(聚苯醚)構成,εr 在 3.6 和 4.2 之間。
     
    導體損耗
     
    電荷流過材料導致能量損耗。外層微帶線和內層帶狀線的導體損耗都可以細分為2個部分:直流和交流損耗。這里說的直流電是低于1MHz的電路。雖然直流損耗一般不適用于高速電路設計,但電阻下降會侵占多點系統(如SODIMM DDR3/4的地址、命令控制總線布線)的邏輯電平和噪聲容限。然而,板載內存通常信號線長度都小于3英寸,正因如此,沒有凸顯這個問題。
     
    一個典型的5 mil寬、1.4 mil厚(1oz銅)、1英寸長的線路,通上直流電時信號通道的電阻通常是0.1歐姆/英寸。銅和大多數其他金屬的體電阻率在頻率接近100 GHz以前是恒定的。不管怎樣,正是因為趨膚效應,引發了導體的頻率相關性,如圖2所示。
     
    交流電,因其頻率相關性,導體損耗呈電阻性或電感性。低頻時,我們認為電阻和電感同于直流電,但隨著頻率的增加,在傳輸線和基準面上的截面電流分布變得不均勻,并移動到導體的外部。由于趨膚效應,電流被迫進入銅的外表面,從而大大增加了損耗。電流的重新分布使電阻增大、每單位長度的線圈電感減小。隨著頻率增加到超過1GHz時,電阻不斷增加,線圈電感量達到一個極限值,成為外電感。頻率越高,電流在導體外表面流動的趨勢就越大。交流電阻將保持與直流電阻大約相等,直到頻率升高到某一個點,即趨膚深度小于導體厚度時。

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