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高速PCB设计如何正确选择PCB板材?

发布时间 :2019-07-01 17:46 阅读 : 来源 :技术文章责任编辑 :深圳宏力捷PCB设计部
随着数字系统的高速化发展,以前被认为微不足道的传输线损耗问题,现正在成为PCB设计的首要关注点。在时钟频率高于1GHz时,频率相关性传输损耗的影响已经实实在在发生了,特别是高速 SerDes 接口,信号具有非常快的上升时间,数字信号可以携带比自身重复频率更高频的能量,这些较高的高频能量成分,用来构造理想的快速转换的数字信号。今天的高速串行总线,在时钟速率的第 5 次谐波上往往有大量的能量集中。
 
现在有许多高速数字应用,速度为10 Gbit/s或更高。 这些应用使用5 GHz的基频和15 GHz,25 GHz等的谐波。在此频率范围内,大多数常见的PCB材料在介质损耗(Df)方面会有非常显着的差异,并导致严重的信号完整性的问题。这是高速数字PCB使用专为高频应用而设计的特殊板材的原因之一。 这些材料的配方具有低损耗因数,在很宽的频率范围内具有最小的变化。 这些板材过去常用于高频RF应用,甚至现在用于77 GHz及更高的应用。 除了介质损耗因素的改进外,这些板材还配有严格的厚度控制和Dk控制,更佳有利于保障信号完整性。
 
高速PCB设计如何正确选择PCB板材?
 
2019台北电脑展上AMD发布第三代Ryzen锐龙处理器的情况,AMD采用7纳米的CPU除了在性能上开始压制英特尔之外,其配套的X570 芯片组也引入了对 PCIe 4.0 的支持,采用PCIe 4.0 NVMe的SSD也开始陆续推向市场,而预计两年后,PCIe 5.0规范也将发布。
 
PCIe 5.0 的数据速率将达到恐怖的 32GT/s,从而加重频率相关的插入损耗。选择的 PCB 材料会对各个区域的插入损耗产生巨大影响。
 
如果在设计PCB时不考虑板材对高速信号的影响,老司机也会翻车!
 
选择PCB板材时必须在满足PCB设计需求、可量产性、成本中间取得平衡点。简单而言,设计需求包含电气和结构可靠性这两部分。通常在设计非常高速的PCB板子(大于GHz的频率)时板材问题才会比较重要。例如,现在常用的FR-4材质,在几个GHz的频率时的介质损耗Df(Dielectricloss)会很大,可能就不适用。
 
高速数字电路运行速度是PCB选择考虑的主要因素,电路的速率越高,所选PCB的Df值就应该越小。具有中,低损耗的电路板材将适合10Gb/S的数字电路;具有更低损耗的板材适用25Gb/s的数字电路;具有超低损耗板材将适应更快的高速数字电路,其速率可以为50Gb/s或者更高。
 
从材料Df看:
 
  Df介于0.01~0.005电路板材适合上限为10Gb/S数字电路;
  Df介于0.005~0.003电路板材适合上限为25Gb/S数字电路;
  Df不超过0.0015的电路板材适合50Gb/S甚至更高速数字电路。
 
常用的高速板材有:
 
  1)、罗杰斯Rogers:RO4003、RO3003、RO4350、RO5880等
  2)、台耀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)、东莞生益、泰州旺灵、泰兴微波等
 
对于高速PCB而言,在设计时需要考量材料的选择及设计等是否满足信号完整性要求,这就要求尽量减小信号的传输损耗。
高速PCB设计如何正确选择PCB板材?
 
PCB传输损耗主要由介质损耗、导体损耗和辐射损耗三部分组成。
 
当高频信号在 PCB 上从驱动器沿较长的传输线传输到接收器时,介质材料的损耗因数对信号的影响非常大。较大的损耗因数意味着较高的介质吸收。损耗因数较大的材料会影响长传输线上的高频信号。介质吸收增大了高频衰减。
 
PCB 最常用的介质材料是 FR-4,它采用了环氧树脂玻璃叠层,可满足多种工艺条件要求。FR-4 的 εr 在 4.1 和 4.5 之间。GETEK 是另一种可以用于高速电路板的材料。GETEK 由环氧树脂(聚苯醚)构成,εr 在 3.6 和 4.2 之间。
 
导体损耗
 
电荷流过材料导致能量损耗。外层微带线和内层带状线的导体损耗都可以细分为2个部分:直流和交流损耗。这里说的直流电是低于1MHz的电路。虽然直流损耗一般不适用于高速电路设计,但电阻下降会侵占多点系统(如SODIMM DDR3/4的地址、命令控制总线布线)的逻辑电平和噪声容限。然而,板载内存通常信号线长度都小于3英寸,正因如此,没有凸显这个问题。
 
一个典型的5 mil宽、1.4 mil厚(1oz铜)、1英寸长的线路,通上直流电时信号通道的电阻通常是0.1欧姆/英寸。铜和大多数其他金属的体电阻率在频率接近100 GHz以前是恒定的。不管怎样,正是因为趋肤效应,引发了导体的频率相关性,如图2所示。
 
交流电,因其频率相关性,导体损耗呈电阻性或电感性。低频时,我们认为电阻和电感同于直流电,但随着频率的增加,在传输线和基准面上的截面电流分布变得不均匀,并移动到导体的外部。由于趋肤效应,电流被迫进入铜的外表面,从而大大增加了损耗。电流的重新分布使电阻增大、每单位长度的线圈电感减小。随着频率增加到超过1GHz时,电阻不断增加,线圈电感量达到一个极限值,成为外电感。频率越高,电流在导体外表面流动的趋势就越大。交流电阻将保持与直流电阻大约相等,直到频率升高到某一个点,即趋肤深度小于导体厚度时。

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