隨著頻率的不斷增加,控制印刷電路板(PCB)材料的相位一致性越來(lái)越難。準(zhǔn)確預(yù)測(cè)線路板材料的相位變化并不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單或常規(guī)的工作。高頻高速PCB的信號(hào)相位在很大程度上取決于由其加工而成的傳輸線的結(jié)構(gòu),以及線路板材料的介電常數(shù)(Dk)。介質(zhì)媒介的Dk越低(例如空氣的Dk約為1.0),電磁波傳播得越快。隨著Dk的增加,波的傳播會(huì)變慢,這種現(xiàn)象對(duì)傳播信號(hào)的相位響應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生影響。當(dāng)傳播介質(zhì)的Dk發(fā)生變化時(shí),就會(huì)發(fā)生波形相位變化,因?yàn)檩^低或較高的Dk,會(huì)使信號(hào)在傳播介質(zhì)中的速度對(duì)應(yīng)的變快或減慢。
線路板材料的Dk通常是各向異性的,在長(zhǎng)度、寬度和厚度(對(duì)應(yīng)x、y和z軸)三個(gè)維度中(3D)均具有不同的Dk值。對(duì)于某些特殊類型的電路設(shè)計(jì),不僅需要考慮Dk的差異,還必須考慮到電路的加工制造對(duì)相位的影響。隨著PCB工作頻率的提高,尤其是在微波和毫米波頻率下,例如:如第五代(5G)蜂窩無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備、電子輔助汽車中的高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS),相位的穩(wěn)定性和可預(yù)測(cè)性將變得越來(lái)越重要。
那么究竟是什么導(dǎo)致了線路板材料的Dk發(fā)生變化呢?在某些情況下,PCB上Dk的差異是由材料(例如銅表面粗糙度的變化)本身引起的。在其他一些情況下,PCB的制造工藝也會(huì)造成Dk的變化。此外,惡劣的工作環(huán)境(例如較高的工作溫度)也會(huì)使PCB的Dk發(fā)生改變。通過(guò)了解材料的特性、制造工藝、工作環(huán)境、甚至Dk的測(cè)試方法,等多方面來(lái)研究PCB的Dk如何變化。這樣能更好地理解、預(yù)測(cè)PCB的相位變化,并將其帶來(lái)的影響最小化。
各向異性是線路板材料的一種重要特性,Dk的特性非常類似于三維數(shù)學(xué)上的“張量”。三個(gè)軸上不同的Dk值導(dǎo)致了三維空間中電通量和電場(chǎng)強(qiáng)度的差異。根據(jù)電路所用的傳輸線類型,具有耦合結(jié)構(gòu)電路的相位可以被材料的各向異性改變,電路的性能取決于相位在線路板材料上的方向。一般來(lái)說(shuō),線路板材料的各向異性會(huì)隨板材的厚度和工作頻率而變化,Dk值較低的材料各向異性較小。填充的增強(qiáng)材料也會(huì)造成這種變化:與沒(méi)有玻璃纖維增強(qiáng)的線路板材料相比,具有玻璃纖維增強(qiáng)的線路板材料通常具有更大的各向異性。當(dāng)相位是關(guān)鍵指標(biāo),并且PCB的Dk是電路設(shè)計(jì)建模的一部分時(shí),描述比較兩種材料之間的Dk值應(yīng)該針對(duì)的是同一個(gè)方向軸線上的Dk。
深入探討設(shè)計(jì)Dk
電路的有效Dk取決于電磁波在特定類型傳輸線中的傳播方式。根據(jù)傳輸線的不同,電磁波一部分通過(guò)PCB的介質(zhì)材料傳播,另外一部分會(huì)通過(guò)PCB周圍的空氣傳播。空氣的Dk值(約為1.00)低于任何電路材料,因此,有效Dk值實(shí)質(zhì)上是一個(gè)組合Dk值,它由傳輸線導(dǎo)體中傳播的電磁波、電介質(zhì)材料中傳播的電磁波,以及基底周圍空氣中傳播的電磁波共同作用而確定。“設(shè)計(jì)Dk”就試圖提供相對(duì)“有效Dk”更為實(shí)用的Dk,因?yàn)椤霸O(shè)計(jì)Dk”同時(shí)考慮了不同傳輸線技術(shù)、制造方法、導(dǎo)線、甚至測(cè)量Dk的試驗(yàn)方法等多方面的綜合影響。設(shè)計(jì)Dk是在電路形式下對(duì)材料進(jìn)行測(cè)試時(shí)提取的Dk,也是在電路設(shè)計(jì)和仿真中最適合使用的Dk值。設(shè)計(jì)Dk不是電路的有效Dk,但它是通過(guò)對(duì)有效Dk的測(cè)量來(lái)確定的材料Dk,設(shè)計(jì)Dk能反映電路真實(shí)性能。
對(duì)于特定的線路板材料,其設(shè)計(jì)Dk值可能會(huì)因?yàn)榫€路板不同區(qū)域的細(xì)微差異而發(fā)生變化。例如:構(gòu)成電路導(dǎo)線的銅箔厚度可能會(huì)不均勻,這就意味著不同銅厚的地方設(shè)計(jì)Dk都會(huì)不同,并且由這些導(dǎo)體形成的電路的相位響應(yīng)也會(huì)跟著發(fā)生變化。銅箔導(dǎo)體表面的粗糙程度也會(huì)影響設(shè)計(jì)Dk和相位響應(yīng),較光滑的銅箔(例如壓延銅)對(duì)設(shè)計(jì)Dk或相位響應(yīng)的影響要小于粗糙銅箔。
PCB介質(zhì)材料的不同厚度中導(dǎo)體銅箔表面粗糙度對(duì)設(shè)計(jì)Dk和電路的相位響應(yīng)產(chǎn)生不同影響。具有較厚基板的材料往往會(huì)受到銅箔導(dǎo)體表面粗糙度的影響較小,即使對(duì)于表面較為粗糙的銅箔導(dǎo)體,此時(shí)其設(shè)計(jì)Dk值也更接近于基板材料的介質(zhì)Dk。
較厚的介質(zhì)基板受到銅箔粗糙度的影響較小,設(shè)計(jì)Dk值相對(duì)更低。但是,如果用較厚的線路板來(lái)生產(chǎn)加工電路,尤其是在信號(hào)波長(zhǎng)較小的毫米波頻率下,要保持信號(hào)幅度和相位的一致性就會(huì)更加困難。較高頻率的電路往往更適合選用較薄的線路板,而此時(shí)材料的介質(zhì)部分對(duì)設(shè)計(jì)Dk和電路性能影響較小。較薄的PCB基板在信號(hào)損耗和相位性能方面受導(dǎo)體的影響會(huì)更大一些。在毫米波頻率下,就電路材料的設(shè)計(jì)Dk而言,它們對(duì)導(dǎo)體特性(如銅箔表面粗糙度)的敏感性也比較厚的基板要大一些。
如何選擇傳輸線電路
在射頻/微波和毫米波頻率下,電路設(shè)計(jì)工程師主要采用以下幾種常規(guī)的傳輸線技術(shù),例如:微帶線、帶狀線、以及接地共面波導(dǎo)(GCPW)。每種技術(shù)都有不同的設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)、相關(guān)優(yōu)勢(shì)。例如,GCPW電路耦合行為的差異將影響電路的設(shè)計(jì)Dk,對(duì)于緊密耦合的GCPW電路,以及具有緊密間隔的傳輸線,利用共面耦合區(qū)域之間的空氣,可以實(shí)現(xiàn)更高效的電磁傳播,將損耗降到最低。通過(guò)使用較厚的銅導(dǎo)體,耦合導(dǎo)體的側(cè)壁更高,耦合區(qū)域中利用更多的空氣路徑可以最大限度地減少電路損耗,但更為重要的是理解減小銅導(dǎo)體厚度變化帶來(lái)的相應(yīng)的影響。
許多因素都可以影響給定電路和線路板材料的設(shè)計(jì)Dk。例如,線路板材料的溫度系數(shù)Dk(TCDk)這個(gè)指標(biāo),就是用來(lái)衡量工作溫度對(duì)設(shè)計(jì)Dk及性能的影響,較低的TCDk值表示線路板材料對(duì)溫度依賴性較小。同樣,高相對(duì)濕度(RH)也會(huì)增加線路板材料的設(shè)計(jì)Dk,特別是對(duì)于高吸濕性的材料。線路板材料的特性、電路制造過(guò)程、工作環(huán)境中的不確定因素,都會(huì)影響線路板材料的設(shè)計(jì)Dk。只有了解這些特性,并且在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮這些因素,才能將其影響降到最低。
審核編輯:郭婷
-
pcb
+關(guān)注
關(guān)注
4319文章
23083瀏覽量
397558 -
電路板
+關(guān)注
關(guān)注
140文章
4954瀏覽量
97714
原文標(biāo)題:【閱讀了解】淺析材料及加工對(duì)PCB電路Dk和相位一致性的影響
文章出處:【微信號(hào):深圳市賽姆烯金科技有限公司,微信公眾號(hào):深圳市賽姆烯金科技有限公司】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
發(fā)布評(píng)論請(qǐng)先 登錄
相關(guān)推薦
評(píng)論