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技术专栏

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讲解浅析材料及加工对PCB电路板Dk和相位一致性的影响
2021-01-26
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随着频率的不断增加,控制印刷电路板(PCB)材料的相位一致性越来越难。准确预测线路板材料的相位变化并不是一项简单或常规的工作。高频高速PCB的信号相位在很大程度上取决于由其加工而成的传输线的结构,以及线路板材料的介电常数(Dk)。介质媒介的Dk越低(例如空气的Dk约为1.0),电磁波传播得越快。随着Dk的增加,波的传播会变慢,这种现象对传播信号的相位响应也会产生影响。当传播介质的Dk发生变化时,就会发生波形相位变化,因为较低或较高的Dk,会使信号在传播介质中的速度对应的变快或减慢。

 线路板材料的Dk通常是各向异性的,在长度、宽度和厚度(对应x、y和z轴)三个维度中(3D)均具有不同的Dk值。对于某些特殊类型的电路设计,不仅需要考虑Dk的差异,还必须考虑到电路的加工制造对相位的影响。随着PCB工作频率的提高,尤其是在微波和毫米波频率下,例如:如第五代(5G)蜂窝无线通信网络基础设施设备、电子辅助汽车中的高级驾驶员辅助系统(ADAS),相位的稳定性和可预测性将变得越来越重要。

那么究竟是什么导致了线路板材料的Dk发生变化呢?在某些情况下,PCB上Dk的差异是由材料(例如铜表面粗糙度的变化)本身引起的。在其他一些情况下,PCB的制造工艺也会造成Dk的变化。此外,恶劣的工作环境(例如较高的工作温度)也会使PCB的Dk发生改变。通过了解材料的特性、制造工艺、工作环境、甚至Dk的测试方法,等多方面来研究PCB的Dk如何变化。这样能更好地理解、预测PCB的相位变化,并将其带来的影响最小化。

各向异性是线路板材料的一种重要特性,Dk的特性非常类似于三维数学上的“张量”。三个轴上不同的Dk值导致了三维空间中电通量和电场强度的差异。根据电路所用的传输线类型,具有耦合结构电路的相位可以被材料的各向异性改变,电路的性能取决于相位在线路板材料上的方向。一般来说,线路板材料的各向异性会随板材的厚度和工作频率而变化,Dk值较低的材料各向异性较小。填充的增强材料也会造成这种变化:与没有玻璃纤维增强的线路板材料相比,具有玻璃纤维增强的线路板材料通常具有更大的各向异性。当相位是关键指标,并且PCB的Dk是电路设计建模的一部分时,描述比较两种材料之间的Dk值应该针对的是同一个方向轴线上的Dk。如需了解改变线路板材料Dk的多种因素(包括测量方法)的更多详细信息,请参阅罗杰斯公司的网络研讨会“UnderstandHow Circuit Materials and Fabrication Can Affect PCB Dk Variation and PhaseConsistency(了解线路板材料和制造工艺如何影响PCB的Dk变化和相位的一致性)”。

深入探讨设计Dk

电路的有效Dk取决于电磁波在特定类型传输线中的传播方式。根据传输线的不同,电磁波一部分通过PCB的介质材料传播,另外一部分会通过PCB周围的空气传播。空气的Dk值(约为1.00)低于任何电路材料,因此,有效Dk值实质上是一个组合Dk值,它由传输线导体中传播的电磁波、电介质材料中传播的电磁波,以及基底周围空气中传播的电磁波共同作用而确定。“设计Dk”就试图提供相对“有效Dk”更为实用的Dk,因为“设计Dk”同时考虑了不同传输线技术、制造方法、导线、甚至测量Dk的试验方法等多方面的综合影响。设计Dk是在电路形式下对材料进行测试时提取的Dk,也是在电路设计和仿真中最适合使用的Dk值。设计Dk不是电路的有效Dk,但它是通过对有效Dk的测量来确定的材料Dk,设计Dk能反映电路真实性能。

对于特定的线路板材料,其设计Dk值可能会因为线路板不同区域的细微差异而发生变化。例如:构成电路导线的铜箔厚度可能会不均匀,这就意味着不同铜厚的地方设计Dk都会不同,并且由这些导体形成的电路的相位响应也会跟着发生变化。铜箔导体表面的粗糙程度也会影响设计Dk和相位响应,较光滑的铜箔(例如压延铜)对设计Dk或相位响应的影响要小于粗糙铜箔。

PCB介质材料的不同厚度中导体铜箔表面粗糙度对设计Dk和电路的相位响应产生不同影响。具有较厚基板的材料往往会受到铜箔导体表面粗糙度的影响较小,即使对于表面较为粗糙的铜箔导体,此时其设计Dk值也更接近于基板材料的介质Dk。例如,罗杰斯公司6.6 mil的RO4350B™线路板材料,在8至40GHz时,其平均设计Dk值为3.96。而对于厚度为30 mil的同一材料,设计Dk在相同频率范围内平均下降至3.68。当材料基板厚度再次增加一倍(60 mils)时,设计Dk为3.66,这基本就是这种玻璃纤维增强的层压板的介质固有Dk了。

从上面的举例中可以看出,较厚的介质基板受到铜箔粗糙度的影响较小,设计Dk值相对更低。但是,如果用较厚的线路板来生产加工电路,尤其是在信号波长较小的毫米波频率下,要保持信号幅度和相位的一致性就会更加困难。较高频率的电路往往更适合选用较薄的线路板,而此时材料的介质部分对设计Dk和电路性能影响较小。较薄的PCB基板在信号损耗和相位性能方面受导体的影响会更大一些。在毫米波频率下,就电路材料的设计Dk而言,它们对导体特性(如铜箔表面粗糙度)的敏感性也比较厚的基板要大一些。

如何选择传输线电路

在射频/微波和毫米波频率下,电路设计工程师主要采用以下几种常规的传输线技术,例如:微带线、带状线、以及接地共面波导(GCPW)。每种技术都有不同的设计方法、设计挑战、相关优势。例如,GCPW电路耦合行为的差异将影响电路的设计Dk,对于紧密耦合的GCPW电路,以及具有紧密间隔的传输线,利用共面耦合区域之间的空气,可以实现更高效的电磁传播,将损耗降到最低。通过使用较厚的铜导体,耦合导体的侧壁更高,耦合区域中利用更多的空气路径可以最大限度地减少电路损耗,但更为重要的是理解减小铜导体厚度变化带来的相应的影响。

许多因素都可以影响给定电路和线路板材料的设计Dk。例如,线路板材料的温度系数Dk(TCDk)这个指标,就是用来衡量工作温度对设计Dk及性能的影响,较低的TCDk值表示线路板材料对温度依赖性较小。同样,高相对湿度(RH)也会增加线路板材料的设计Dk,特别是对于高吸湿性的材料。线路板材料的特性、电路板制造过程、工作环境中的不确定因素,都会影响线路板材料的设计Dk。只有了解这些特性,并且在设计过程中充分考虑这些因素,才能将其影响降到最低。

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