浅析材料及加工对PCB电路的影响

srilri2

随着频率的不断增加，控制印刷电路板（PCB）材料的相位一致性越来越难。准确预测线路板材料的相位变化并不是一项简单或常规的工作。高频高速 PCB 的信号相位在很大程度上取决于由其加工而成的传输线的结构，以及线路板材料的介电常数（Dk）。介质媒介的 Dk 越低（例如空气的 Dk 约为 1.0），电磁波传播得越快。随着 Dk 的增加，波的传播会变慢，这种现象对传播信号的相位响应也会产生影响。当传播介质的 Dk 发生变化时，就会发生波形相位变化，因为较低或较高的 Dk，会使信号在传播介质中的速度对应的变快或减慢。


线路板材料的 Dk 通常是各向异性的，在长度、宽度和厚度（对应 x、y 和 z 轴）三个维度中（3D）均具有不同的 Dk 值。对于某些特殊类型的电路设计，不仅需要考虑 Dk 的差异，还必须考虑到电路的加工制造对相位的影响。随着 PCB 工作频率的提高，尤其是在微波和毫米波频率下，例如：如第五代（5G）蜂窝无线通信网络基础设施设备、电子辅助汽车中的高级驾驶员辅助系统（ADAS），相位的稳定性和可预测性将变得越来越重要。
/ E$ \0 Z" t6 U# i( T
9 [1 W( x$ G) B( t) f& l

那么究竟是什么导致了线路板材料的 Dk 发生变化呢？在某些情况下，PCB 上 Dk 的差异是由材料（例如铜表面粗糙度的变化）本身引起的。在其他一些情况下，PCB 的制造工艺也会造成 Dk 的变化。此外，恶劣的工作环境（例如较高的工作温度）也会使 PCB 的 Dk 发生改变。通过了解材料的特性、制造工艺、工作环境、甚至 Dk 的测试方法，等多方面来研究 PCB 的 Dk 如何变化。这样能更好地理解、预测 PCB 的相位变化，并将其带来的影响最小化。



各向异性是线路板材料的一种重要特性，Dk 的特性非常类似于三维数学上的“张量”。三个轴上不同的 Dk 值导致了三维空间中电通量和电场强度的差异。根据电路所用的传输线类型，具有耦合结构电路的相位可以被材料的各向异性改变，电路的性能取决于相位在线路板材料上的方向。一般来说，线路板材料的各向异性会随板材的厚度和工作频率而变化，Dk 值较低的材料各向异性较小。填充的增强材料也会造成这种变化：与没有玻璃纤维增强的线路板材料相比，具有玻璃纤维增强的线路板材料通常具有更大的各向异性。当相位是关键指标，并且 PCB 的 Dk 是电路设计建模的一部分时，描述比较两种材料之间的 Dk 值应该针对的是同一个方向轴线上的 Dk。如需了解改变线路板材料 Dk 的多种因素（包括测量方法）的更多详细信息，请参阅罗杰斯公司的网络研讨会“UnderstandHow Circuit Materials and Fabrication Can Affect PCB Dk Variation and PhaseConsistency（了解线路板材料和制造工艺如何影响 PCB 的 Dk 变化和相位的一致性）”。
! N  L- z; w: k
4 K# e3 e0 M) g6 [; k! W1 b
  c* t/ c# u# ^1 ?+ E: `1 E4 Z9 S
: I, \4 b$ h* q' ?6 C深入探讨设计 Dk
6 c- m$ u: c6 |3 c
电路的有效 Dk 取决于电磁波在特定类型传输线中的传播方式。根据传输线的不同，电磁波一部分通过 PCB 的介质材料传播，另外一部分会通过 PCB 周围的空气传播。空气的 Dk 值（约为 1.00）低于任何电路材料，因此，有效 Dk 值实质上是一个组合 Dk 值，它由传输线导体中传播的电磁波、电介质材料中传播的电磁波，以及基底周围空气中传播的电磁波共同作用而确定。“设计 Dk”就试图提供相对“有效 Dk”更为实用的 Dk，因为“设计 Dk”同时考虑了不同传输线技术、制造方法、导线、甚至测量 Dk 的试验方法等多方面的综合影响。设计 Dk 是在电路形式下对材料进行测试时提取的 Dk，也是在电路设计和仿真中最适合使用的 Dk 值。设计 Dk 不是电路的有效 Dk，但它是通过对有效 Dk 的测量来确定的材料 Dk，设计 Dk 能反映电路真实性能。

& S$ x: d7 u8 o/ ]; v
7 |& Y" i' {: x( {; `! L! X9 t
对于特定的线路板材料，其设计 Dk 值可能会因为线路板不同区域的细微差异而发生变化。例如：构成电路导线的铜箔厚度可能会不均匀，这就意味着不同铜厚的地方设计 Dk 都会不同，并且由这些导体形成的电路的相位响应也会跟着发生变化。铜箔导体表面的粗糙程度也会影响设计 Dk 和相位响应，较光滑的铜箔（例如压延铜）对设计 Dk 或相位响应的影响要小于粗糙铜箔。
$ F: H" O7 M+ |) R7 o: q


PCB 介质材料的不同厚度中导体铜箔表面粗糙度对设计 Dk 和电路的相位响应产生不同影响。具有较厚基板的材料往往会受到铜箔导体表面粗糙度的影响较小，即使对于表面较为粗糙的铜箔导体，此时其设计 Dk 值也更接近于基板材料的介质 Dk。例如，罗杰斯公司 6.6 mil 的 RO4350B™线路板材料，在 8 至 40GHz 时，其平均设计 Dk 值为 3.96。而对于厚度为 30 mil 的同一材料，设计 Dk 在相同频率范围内平均下降至 3.68。当材料基板厚度再次增加一倍（60 mils）时，设计 Dk 为 3.66，这基本就是这种玻璃纤维增强的层压板的介质固有 Dk 了。
8 O8 M5 D( \* \& |0 f% t9 Y

! R& w* v  `) x. Q; |7 ^- T  A# B: O: r7 B
# _' B2 t7 I3 O从上面的举例中可以看出，较厚的介质基板受到铜箔粗糙度的影响较小，设计 Dk 值相对更低。但是，如果用较厚的线路板来生产加工电路，尤其是在信号波长较小的毫米波频率下，要保持信号幅度和相位的一致性就会更加困难。较高频率的电路往往更适合选用较薄的线路板，而此时材料的介质部分对设计 Dk 和电路性能影响较小。较薄的 PCB 基板在信号损耗和相位性能方面受导体的影响会更大一些。在毫米波频率下，就电路材料的设计 Dk 而言，它们对导体特性（如铜箔表面粗糙度）的敏感性也比较厚的基板要大一些。

3 V5 e3 u( X. w7 X

如何选择传输线电路
9 Z+ J, H- a# C0 Q& ]( k/ h
在射频 / 微波和毫米波频率下，电路设计工程师主要采用以下几种常规的传输线技术，例如：微带线、带状线、以及接地共面波导（GCPW）。每种技术都有不同的设计方法、设计挑战、相关优势。例如，GCPW 电路耦合行为的差异将影响电路的设计 Dk，对于紧密耦合的 GCPW 电路，以及具有紧密间隔的传输线，利用共面耦合区域之间的空气，可以实现更高效的电磁传播，将损耗降到最低。通过使用较厚的铜导体，耦合导体的侧壁更高，耦合区域中利用更多的空气路径可以最大限度地减少电路损耗，但更为重要的是理解减小铜导体厚度变化带来的相应的影响。
6 H4 w4 |( `! J! [& L0 a% [
5 v& T0 n& T, p2 V6 b* ~' `
0 ]% i. z4 ?8 ?8 J
许多因素都可以影响给定电路和线路板材料的设计 Dk。例如，线路板材料的温度系数 Dk（TCDk）这个指标，就是用来衡量工作温度对设计 Dk 及性能的影响，较低的 TCDk 值表示线路板材料对温度依赖性较小。同样，高相对湿度（RH）也会增加线路板材料的设计 Dk，特别是对于高吸湿性的材料。线路板材料的特性、电路制造过程、工作环境中的不确定因素，都会影响线路板材料的设计 Dk。只有了解这些特性，并且在设计过程中充分考虑这些因素，才能将其影响降到最低。
, i4 r; x5 `  l
; b  g) {: L$ h" [3 F" e) b0 O( h

silenced

Dk 的特性非常类似于三维数学上的“张量”