PCB高頻技術(shù)研討報告

1高頻技術(shù)研討報告制作：卞華昊23/Feb/2017

2高頻信號基礎(chǔ)高頻應(yīng)用領(lǐng)域?qū)p耗的影響因子CCL基材對損耗的影響PCB制作對損耗的影響我司高頻材料Df等級目錄31.高頻信號基礎(chǔ)高頻信號，顧名思義就是頻率較高的信號。在電子學(xué)上和高速數(shù)字設(shè)計領(lǐng)域，分別有不同的判斷標準。通常當F>100MHz的時候,或信號上升時間小于3.185ns左右的時候,認為是高頻電路。頻率:是指單位時間內(nèi)完成振動的次數(shù)，是描述振動物體往復(fù)運動頻繁程度的量。常用符號F(frequency)表示?；締挝皇呛掌潱℉z），簡稱赫，常用千赫（KHz）或兆赫（MHz）或吉赫（GHz）做單位。1.1高頻的定義4對于高速產(chǎn)品，并沒有明確定義，一般認為對損耗有特定要求的產(chǎn)品為高速產(chǎn)品。microstripstripline傳輸線模型基本傳輸線種類Microstrip微帶線Stripline

帶狀線優(yōu)點設(shè)計簡單方面，PCB制作容易管控不易受外界訊號干擾缺點輻射損耗大，易于受外界訊號干擾對介層管控要求嚴格，受孔Stub影響較大。1.2高速信號和的傳輸線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介電常數(shù)（Dk）準確講應(yīng)該稱為相對介電常數(shù)。絕緣材料的容電率與真空或干燥空氣的容電率相對比，即成了所謂的“相對容電率”(RelativePermittivity)，εr，也就是所謂的Dk值或稱介質(zhì)系數(shù)(Dielectricconstant)。從信號傳輸品質(zhì)的角度來看，介電常數(shù)的含義可以理解為介質(zhì)對電荷的吸附能力，介電常數(shù)越大，其對信號的吸附能力越強，可供使用的信號余量便越小。介電能力即相當于容電能力。介電能力對比（左）和線路傳輸模型（右）1.3介電常數(shù)（Dk）和損耗因子（Df）Dk

定義6c-25-20-15-10-500510152025Frequency,GHzInsertionLoss,dBDf=0.01Df=0.031.3介電常數(shù)（Dk）和損耗因子（Df）Dk

與InsertionLoss關(guān)系7損耗因子（Df）即為散失因子（dissipationfactor），表示信號傳輸時在介質(zhì)中損失掉的能量（loss），將這個損失掉的能量與未損失的能量（stored）對比時，即得到Df。介質(zhì)損耗因子與頻率的相關(guān)性1.3介電常數(shù)（Dk）和損耗因子（Df）Df

定義8插入損耗（簡稱插損，數(shù)學(xué)描述為S21，或insertionloss）：在二端口網(wǎng)絡(luò)中，S21定義為從端口2出來的正弦波和從端口1進入的正弦波的比值。端口一端口二入射信號反射信號接收信號簡單二端口網(wǎng)絡(luò)示意圖相位差幅度1.4插入損耗的概念9插入損耗導(dǎo)體熱消耗反射介質(zhì)損耗趨膚效應(yīng)耦合、串擾輻射介質(zhì)中粒子振動導(dǎo)致阻抗不連續(xù)導(dǎo)線發(fā)熱能量向環(huán)境中發(fā)射與鄰近傳輸線干擾作用增加導(dǎo)體阻抗消耗能量1.4插入損耗的概念10

無損傳輸線是不存在的，通路上的每一個節(jié)點都會造成損耗，損耗受控是一個真正的挑戰(zhàn)。右圖為傳輸線中主要插入損耗來源于傳輸?shù)男盘栴l率之間關(guān)系示意圖1.4插入損耗的概念11高速或高頻情況下，主要受趨膚效應(yīng)影響，信號在導(dǎo)體中傳輸感受到的阻抗將遠大于導(dǎo)體在直流情況下的電阻。導(dǎo)體的趨膚效應(yīng)（紅色表示電流密度最大，藍色表示最小）趨膚深度：δ：趨膚深度μ：磁導(dǎo)率σ：電導(dǎo)率f：頻率對于純銅導(dǎo)線：μ=4πⅹ10-7H/mσ=5.8ⅹ107S/m則在1GHz頻率下：δ銅=2.1um1.5趨膚效應(yīng)122.高頻應(yīng)用領(lǐng)域基站天線衛(wèi)星通訊民用/軍用衛(wèi)星通訊網(wǎng)絡(luò)通訊交換器&路由器&服務(wù)器汽車電子汽車雷達&導(dǎo)航手機通訊4G/5G手機高頻應(yīng)用13

目前幾乎所有高速存儲器、服務(wù)器、路由器以及很多消費電子產(chǎn)品都具有高傳輸速率的特性，PCB產(chǎn)業(yè)也已邁進高速的方向。USB2.0(480Mbps)交換機(1Gbps)基站(2.3Gbps)IEEE1394(B)接口（3.2Gbps）光模塊產(chǎn)品（6.25Gbps）高性能光模塊（25Gbps）一些高速電子產(chǎn)品和設(shè)備及其傳輸速率2.高頻應(yīng)用領(lǐng)域Df介于0.01~0.005電路板材適合上限為10Gbps數(shù)字電路Df介于0.005~0.003電路板材適合上限為25Gbps數(shù)字電路Df介于0.0015電路板材適合上限為50Gbps數(shù)字電路14EqualizerPre-emphasisHDIBack-drillingCopperFoilResin(Dk/Df)Fabric(Dk/Df)RCPCBCCLDesignB/OxideHolequalityEtchingStublength3.對損耗的影響因子隨著信號頻率的增加，除了設(shè)計端關(guān)于信號加重，濾波等方式優(yōu)化降低信號傳輸?shù)膿p耗外，PCB基材介質(zhì)和導(dǎo)線都會吸收能量，以及PCB加工過程中對材料的處理也會造成信號損耗的問題。154.CCL基材對損耗的影響4.1樹脂的影響不同樹脂體系成本&LossTangent關(guān)系16H-TgFR4和LowLoss樹脂對信號的影響4.1樹脂的影響174.2RC對Dk&Df的影響不同RC含量對Dk的影響184.2RC對Dk&Df的影響不同RC含量對Df的影響194.2RC對Dk&Df的影響不同材料的RC含量對Df的影響20NEglass(Dk4.6)StandardEGlassDk6.64.3玻璃纖維布的影響21STDLDK標準、Low-DK玻纖對信號的影響比較4.3玻璃纖維布的影響22高速信號下，受趨膚效應(yīng)/深度的影響，銅牙長度直接關(guān)系到信號傳輸質(zhì)量：4.4銅箔的影響230.5dBinsertionlossimprovementobservedat15GHzUpto1dBinsertionlossimprovementin8inchtraceforVLPat15GHzRTF、VLP銅箔對Loss的影響比較RTFVLP4.4銅箔的影響244.5CCL基材的損耗傳統(tǒng)FR4基材損耗25

Mid-Loss基材損耗4.5CCL基材的損耗26

Low-Loss基材損耗4.5CCL基材的損耗275.PCB制作對損耗的影響通孔孔徑

通孔長度

通孔Stub

內(nèi)層孔環(huán)

表面處理28通孔孔徑的不同對電路的損耗也有不同的影響。從下圖可以看出，隨著通孔直徑的增大、其引起了更大的插入損耗，隨著頻率的增加，不同通孔孔徑對插入損耗的差異也越來越大。5.1通孔孔徑對損耗的影響295.2PCB通孔孔長對損耗的影響PCB通孔孔長分別為0.8/1.3/1.8/2.3/2.8mm進行測試對插入損耗的影響。從下圖可以看出，PCB通孔的長度約長，它所引起的插入損耗越大，所以建議在PCB設(shè)計中，通孔的長度應(yīng)控制在1.3mm左右。30從如下曲線圖中可以看出的隨著頻率的增加，不同Stub長度對Insertion-Loss影響越大。改用Back-Drilling方式作業(yè)可控制Stub長度，能有效改善Insertion-Loss。Freq［GHz］S21

［dB］Stub長度5.3Stub對損耗的影響31從如下曲線圖中可以看出的隨著頻率的增加，不同Stub長度對Insertion-Loss影響越大。改用Back-Drilling方式作業(yè)可控制Stub長度，能有效改善Insertion-Loss。5.4內(nèi)層孔環(huán)對損耗的影響325.5表面處理對損耗的影響PCB的表面加工處理也對電路的損耗有影響，特別是在高頻階段，不同的表面處理工藝對PCB的損耗產(chǎn)生不同的影響，大部分PCB表面處理的導(dǎo)電性都比銅箔的導(dǎo)電性差，導(dǎo)電性越差產(chǎn)生的導(dǎo)體損耗越高，從而電路的插入損耗也越大。如左圖可以看出，化學(xué)鎳金具有最高的插入損耗，而有機保焊膜、化學(xué)沉銀的插入損耗基本與裸銅相當。33RO3003Megtron7AstraMegtron4GA880FR408HRTU872LKEM888SIT-150DA370HRTU862NP175FMIS415FR408EM-370DNPG170N185HRS1000NP175FNPG150NIT180IIT-158R1566W0.0040.0130.020I-Tera