高速PCB設(shè)計的材料注意事項

如果您想在任何努力中獲得最佳結(jié)果，則使用正確的設(shè)備是您最好的選擇。對于高速PCB設(shè)計，這當(dāng)然是正確的，因為正確的設(shè)備意味著合適的組件，并且最好的板材。有許多材料上的考慮因素會影響高速PCB信號的性能，包括信號衰減和受控阻抗。首先，讓我們看一下影響性能的PCB材料特性；這樣一來，您將有更好的能力來選擇符合高速PCB設(shè)計要求的電路板材料。

高速PCB設(shè)計的材料屬性

在當(dāng)今的高頻信號和快速開關(guān)設(shè)備的世界中，很可能已經(jīng)或?qū)⒁M行高速PCB設(shè)計。構(gòu)成高速PCB的地方有些灰色。例如，有人說，如果您的設(shè)計包含多個子電路，這些子電路在較大的總體設(shè)計中獨立運行，那么您的工作速度就很高。其他人則將高速分類為走線長度足夠長，以使信號的上升時間至少達到三分之二。但是，大多數(shù)設(shè)計人員都會同意，信號頻率決定了高速。通常，這指的是超過50MHz的任何東西，但是被歸類為“高速”的板通常設(shè)計為可容納500MHz至2GHz的頻率。這是因為在這個近似的頻率范圍內(nèi)，信號完整性問題 開始影響PCB性能，電路板材料的選擇對整體電路板設(shè)計的影響更大。

在高頻下，信號完整性可能受到以下因素的影響： 板性能電氣的或機械的。其中最主要的是介電常數(shù)dk，損耗因子df，介電損耗，導(dǎo)體損耗，Ploss和PCB堆疊。為確保這些特性不會對信號完整性產(chǎn)生不利影響，請限制信號衰減（更準(zhǔn)確地說，信號衰減隨頻率變化），并控制阻抗。

信號衰減–通常表示為指數(shù)衰減，這是指根據(jù)信號類型或形式和頻率，信號強度隨時間的降低?？刂圃厥腔谙到y(tǒng)阻抗（R + j X）的時間常數(shù),，就我們的目的而言，它是包含信號通過的走線或通道的板材。由于PCB可以歸類為線性時不變系統(tǒng)1，因此可以使用以下方程式分析信號完整性的衰減效應(yīng)。

對于固定大小的信號（例如，數(shù)字開關(guān)），V（t）= Vo（t）exp（-t / r）①

其中V（t）是時間t的信號強度

Vo（t）是初始信號強度

r是時間常數(shù)（通常由RC或L / R表示，具體取決于用于信號路徑的傳輸線模型）

V（t）= Vo（t）exp（-t / r）+（A /（jw+ t / r））（exp（jwt）– exp（-t / r）②對于模擬信號

其中A是模擬信號峰值幅度

w= 2πf是角頻率

對于等式①和②，時間常數(shù)越大，信號強度下降所需的時間越長。

受控阻抗–阻抗控制是高速PCB設(shè)計中的關(guān)鍵因素。為了獲得最佳信號完整性，希望在整個信號路徑中保持一致的阻抗，并使差分對的阻抗匹配。這可以通過使用相同的走線長度，銅線重量以及信號走線和返回走線之間的固定距離來完成。防止阻抗不匹配將減少或消除傳輸線反射，從而減少信號幅度并引起頻移。

根據(jù)歐姆定律，我們知道電阻（阻抗的真實部分）會在整個距離上衰減信號強度。還已知阻抗（電抗）的虛部（源自電容和電感）會使信號偏離其基頻。為了減輕這些信號完整性問題的影響，使用特性阻抗（Z0）來確定電路板屬性，例如dk，走線寬度和層厚度?；蛘呦喾?，針對給定的板材料屬性確定阻抗。

Z0 = [（R +jωL）/（G +jωC）] 0.5基本特性方程式③

有 封閉式解決方案到等式 （3）用于微帶，帶狀線和接地共面波導(dǎo)（GCPW）傳輸線模型類型，包括單端和差分對。此外，免費下載工具 可從羅杰斯公司獲得。

高速PCB設(shè)計材料選擇

在選擇用于高速PCB設(shè)計的材料之前，有必要確定一條或多條傳輸線的dk和Z0值。您的PCB設(shè)計軟件可能允許您設(shè)置這些值，并將它們包括在其中。設(shè)計文件為您的合同制造商（CM）。如果沒有，在線上有dk圖表和阻抗計算器可幫助您獲得正確的值?，F(xiàn)在，您準(zhǔn)備為高速PCB設(shè)計材料選擇實施兩步解決方案！

步驟1：選擇板材的類型

從推薦用于高頻PCB的類型中選擇材料類型。這包括選擇芯材，預(yù)浸料和基材材料。您可能能夠利用混合結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，為高頻選擇了信號層材料，但其他層則可以使用其他材料來降低制造成本。

步驟2：選擇板材的厚度和銅的重量

使用計算得出的或首選的dk和Z0值來選擇厚度和銅的重量。切記在整個信號路徑中保持阻抗一致性。