PCB線路板的材料及加工對Dk與相位一致性的影響

 常見問題     |      2022-02-22 15:34:50    |      愛彼電路

PCB線路板材料的Dk通常是各向異性的，在長度、寬度和厚度（對應x、y和z軸）三個維度中（3D）均具有不同的Dk值。對于某些特殊類型的電路設計，不僅需要考慮Dk的差異，還必須考慮到電路的加工制造對相位的影響。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）蜂窩無線通信網絡基礎設施設備、電子輔助汽車中的高級駕駛員輔助系統（ADAS），相位的穩定性和可預測性將變得越來越重要。

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越難。準確預測線路板材料的相位變化并不是一項簡單或常規的工作。高頻高速PCB的信號相位在很大程度上取決于由其加工而成的傳輸線的結構，以及線路板材料的介電常數（Dk）。介質媒介的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，波的傳播會變慢，這種現象對傳播信號的相位響應也會產生影響。當傳播介質的Dk發生變化時，就會發生波形相位變化，因為較低或較高的Dk，會使信號在傳播介質中的速度對應的變快或減慢。

那么究竟是什么導致了線路板材料的Dk發生變化呢？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廠商的制造工藝也會造成Dk的變化。此外，惡劣的工作環境（例如較高的工作溫度）也會使PCB的Dk發生改變。通過了解材料的特性、制造工藝、工作環境、甚至Dk的測試方法，等多方面來研究PCB的Dk如何變化。這樣能更好地理解、預測PCB的相位變化，并將其帶來的影響最小化。

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學上的“張量”。三個軸上不同的Dk值導致了三維空間中電通量和電場強度的差異。根據電路所用的傳輸線類型，具有耦合結構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。一般來說，線路板材料的各向異性會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。填充的增強材料也會造成這種變化：與沒有玻璃纖維增強的線路板材料相比，具有玻璃纖維增強的線路板材料通常具有更大的各向異性。當相位是關鍵指標，并且PCB的Dk是電路設計建模的一部分時，描述比較兩種材料之間的Dk值應該針對的是同一個方向軸線上的Dk。

對于特定的線路板材料，其設計Dk值可能會因為線路板不同區域的細微差異而發生變化。例如：構成電路導線的銅箔厚度可能會不均勻，這就意味著不同銅厚的地方設計Dk都會不同，并且由這些導體形成的電路的相位響應也會跟著發生變化。銅箔導體表面的粗糙程度也會影響設計Dk和相位響應，較光滑的銅箔（例如壓延銅）對設計Dk或相位響應的影響要小于粗糙銅箔。

PCB介質材料的不同厚度中導體銅箔表面粗糙度對設計Dk和電路的相位響應產生不同影響。具有較厚基板的材料往往會受到銅箔導體表面粗糙度的影響較小，即使對于表面較為粗糙的銅箔導體，此時其設計Dk值也更接近于基板材料的介質Dk。例如，羅杰斯6.6 mil的RO4350B?線路板材料，在8至40GHz時，其平均設計Dk值為3.96。而對于厚度為30 mil的同一材料，設計Dk在相同頻率范圍內平均下降至3.68。當材料基板厚度再次增加一倍（60 mils）時，設計Dk為3.66，這基本就是這種玻璃纖維增強的層壓板的介質固有Dk了。

從上面的舉例中可以看出，較厚的介質基板受到銅箔粗糙度的影響較小，設計Dk值相對更低。但是，如果用較厚的線路板來生產加工電路，尤其是在信號波長較小的毫米波頻率下，要保持信號幅度和相位的一致性就會更加困難。較高頻率的電路往往更適合選用較薄的線路板，而此時材料的介質部分對設計Dk和電路性能影響較小。較薄的PCB基板在信號損耗和相位性能方面受導體的影響會更大一些。在毫米波頻率下，就電路材料的設計Dk而言，它們對導體特性（如銅箔表面粗糙度）的敏感性也比較厚的基板要大一些。

在射頻/微波和毫米波頻率下，電路設計工程師主要采用以下幾種常規的傳輸線技術，例如：微帶線、帶狀線、以及接地共面波導（GCPW）。每種技術都有不同的設計方法、設計挑戰、相關優勢。例如，GCPW電路耦合行為的差異將影響電路的設計Dk，對于緊密耦合的GCPW電路，以及具有緊密間隔的傳輸線，利用共面耦合區域之間的空氣，可以實現更高效的電磁傳播，將損耗降到最低。通過使用較厚的銅導體，耦合導體的側壁更高，耦合區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體厚度變化帶來的相應的影響。愛彼電路是專業高精密PCB電路板研發生產廠家,可批量生產4-46層電路板,線路板,高頻線路板,高速電路板,混壓電路板,HDI線路板等,定位高精密!高難度!高標準!