如何降低高速PCB的插入損耗

 行業新聞     |      2021-11-24 16:52:11    |      愛彼電路
對于高速PCB而言,在設計時需要考量材料的選擇及設計等是否滿足信號完整性要求,這就要求盡量減小信號的傳輸損耗。根據電磁場和微波理論,PCB傳輸損耗主要由介質損耗、導體損耗和輻射損耗三部分組成。其中,介質損耗是指電場通過介質時,由于介質分子交替極化和晶格不斷碰撞而產生的熱損耗;導體損耗是由于導體不理想,存在損耗電阻,在電流通過時發熱而引起的損耗,其主要影響因素是導體的電阻、電流分布(趨膚效應)和導體的表面粗糙度;輻射損耗是微帶線場結構的半開放性所導致的電磁波輻射損耗,一般而言,這部分損耗很小。

因此,對于高速PCB,信號傳輸損耗主要為介質損耗和導體損耗。其中,高速信號在傳輸過程中的介質損耗與材料的介電常數、損耗因子及傳輸頻率等因素有關,近似計算公式可表示為:其中:αd為信號的介質損耗,k為常數,f為傳輸頻率,tanδ為介質損耗因子,εr為材料的相對介電常數。

而導體損耗主要包括趨膚效應導致的熱損耗和導體粗糙度導致的反射和疊加損耗兩方面,其中,趨膚效應導致的熱損耗隨傳輸頻率的增加而增大,而導體粗糙度越大,信號傳輸時產生的“駐波”和“反射”等越大,信號損耗越大。因此,降低PCB的插入損耗主要通過以下途徑實現:
①實現高密度布線,從而縮短信號傳輸距離,降低信號傳輸損失;
②采用具有低損耗特性的PCB材料;
③采用低粗糙度的銅箔,并在加工過程中降低工藝對粗糙度的影響。

PCB的高速化發展對PCB材料、設計以及PCB加工工藝等提出了更高的要求,為了減小信號在傳輸過程中的介質損耗,業內在近些年開發推出了大量的低介電常數(Dk)/低損耗因子(Df)的覆銅板、半固化片材料和低損耗阻焊油墨等。同時,為了降低趨膚效應及銅箔粗糙度引起的導體損耗,在高速PCB中越來越多地采用低粗糙度銅箔,如RTF、VLP、HVLP等。另外,當PCB設計和材料等確定后,加工工藝的選擇亦會對高速PCB的損耗性能產生不可忽視的影響。

通過選用不同的PCB材料及加工工藝,采用矢量網絡分析儀綜合分析了高速板材、銅箔類型、玻纖布類型、阻焊油墨、粗化藥水及表面處理工藝等對高速PCB插入損耗特性的影響強弱,可為高速線路板的選材和加工工藝設計等提供參考。

測試材料和儀器

材料:低損耗覆銅板和半固化片、HTE、RTF和HVLP銅箔、低損耗阻焊層、低粗糙度藥水等。

測試儀器:阻抗和損耗由矢量網絡分析儀測試(上升時間為22.3 ps,帶寬為20 GHz)。

測試設計

實驗設計為6層板,Top層、L3層、L5層為布線層。單端和差分信號線的阻抗分別設計為 50 Ω 和 100 Ω。插入損耗用FD法測試,TRL法校正。

測試板由不同的材料或加工工藝制成,以評估材料或加工工藝對PCB插入損耗的影響。

工藝設計:開料→內層圖形→內AOI→棕化→層壓→鉆孔→等離子→浸銅→電鍍→鍍錫→背鉆孔→退錫→外層干膜→圖形電鍍→外層蝕刻→外AOI→阻焊層→表面處理→阻抗測試→銑板→……