PCB高頻技術(shù)研討報(bào)告

1高頻技術(shù)研討報(bào)告制作：卞華昊23/Feb/2017

2高頻信號(hào)基礎(chǔ)高頻應(yīng)用領(lǐng)域?qū)p耗的影響因子CCL基材對(duì)損耗的影響PCB制作對(duì)損耗的影響我司高頻材料Df等級(jí)目錄31.高頻信號(hào)基礎(chǔ)高頻信號(hào)，顧名思義就是頻率較高的信號(hào)。在電子學(xué)上和高速數(shù)字設(shè)計(jì)領(lǐng)域，分別有不同的判斷標(biāo)準(zhǔn)。通常當(dāng)F>100MHz的時(shí)候,或信號(hào)上升時(shí)間小于3.185ns左右的時(shí)候,認(rèn)為是高頻電路。頻率:是指單位時(shí)間內(nèi)完成振動(dòng)的次數(shù)，是描述振動(dòng)物體往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻繁程度的量。常用符號(hào)F(frequency)表示。基本單位是赫茲（Hz），簡(jiǎn)稱赫，常用千赫（KHz）或兆赫（MHz）或吉赫（GHz）做單位。1.1高頻的定義4對(duì)于高速產(chǎn)品，并沒有明確定義，一般認(rèn)為對(duì)損耗有特定要求的產(chǎn)品為高速產(chǎn)品。microstripstripline傳輸線模型基本傳輸線種類Microstrip微帶線Stripline

帶狀線優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方面，PCB制作容易管控不易受外界訊號(hào)干擾缺點(diǎn)輻射損耗大，易于受外界訊號(hào)干擾對(duì)介層管控要求嚴(yán)格，受孔Stub影響較大。1.2高速信號(hào)和的傳輸線PlatformSDD21@4GHzSDD21@8GHzRomley-0.8dB/inch(SL)-0.84dB/inch(MS)-1.60dB/inch(SL)-1.68dB/inch(MS)Grantley-0.75dB/inch(SL)-0.79dB/inch(MS)-1.50dB/inch(SL)-1.58dB/inch(MS)Brickland-0.48dB/inch(SL)-0.96dB/inch(SL)5介電常數(shù)（Dk）準(zhǔn)確講應(yīng)該稱為相對(duì)介電常數(shù)。絕緣材料的容電率與真空或干燥空氣的容電率相對(duì)比，即成了所謂的“相對(duì)容電率”(RelativePermittivity)，εr，也就是所謂的Dk值或稱介質(zhì)系數(shù)(Dielectricconstant)。從信號(hào)傳輸品質(zhì)的角度來看，介電常數(shù)的含義可以理解為介質(zhì)對(duì)電荷的吸附能力，介電常數(shù)越大，其對(duì)信號(hào)的吸附能力越強(qiáng)，可供使用的信號(hào)余量便越小。介電能力即相當(dāng)于容電能力。介電能力對(duì)比（左）和線路傳輸模型（右）1.3介電常數(shù)（Dk）和損耗因子（Df）Dk

定義6c-25-20-15-10-500510152025Frequency,GHzInsertionLoss,dBDf=0.01Df=0.031.3介電常數(shù)（Dk）和損耗因子（Df）Dk

與InsertionLoss關(guān)系7損耗因子（Df）即為散失因子（dissipationfactor），表示信號(hào)傳輸時(shí)在介質(zhì)中損失掉的能量（loss），將這個(gè)損失掉的能量與未損失的能量（stored）對(duì)比時(shí)，即得到Df。介質(zhì)損耗因子與頻率的相關(guān)性1.3介電常數(shù)（Dk）和損耗因子（Df）Df

定義8插入損耗（簡(jiǎn)稱插損，數(shù)學(xué)描述為S21，或insertionloss）：在二端口網(wǎng)絡(luò)中，S21定義為從端口2出來的正弦波和從端口1進(jìn)入的正弦波的比值。端口一端口二入射信號(hào)反射信號(hào)接收信號(hào)簡(jiǎn)單二端口網(wǎng)絡(luò)示意圖相位差幅度1.4插入損耗的概念9插入損耗導(dǎo)體熱消耗反射介質(zhì)損耗趨膚效應(yīng)耦合、串?dāng)_輻射介質(zhì)中粒子振動(dòng)導(dǎo)致阻抗不連續(xù)導(dǎo)線發(fā)熱能量向環(huán)境中發(fā)射與鄰近傳輸線干擾作用增加導(dǎo)體阻抗消耗能量1.4插入損耗的概念10

無(wú)損傳輸線是不存在的，通路上的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)造成損耗，損耗受控是一個(gè)真正的挑戰(zhàn)。右圖為傳輸線中主要插入損耗來源于傳輸?shù)男盘?hào)頻率之間關(guān)系示意圖1.4插入損耗的概念11高速或高頻情況下，主要受趨膚效應(yīng)影響，信號(hào)在導(dǎo)體中傳輸感受到的阻抗將遠(yuǎn)大于導(dǎo)體在直流情況下的電阻。導(dǎo)體的趨膚效應(yīng)（紅色表示電流密度最大，藍(lán)色表示最?。┶吥w深度：δ：趨膚深度μ：磁導(dǎo)率σ：電導(dǎo)率f：頻率對(duì)于純銅導(dǎo)線：μ=4πⅹ10-7H/mσ=5.8ⅹ107S/m則在1GHz頻率下：δ銅=2.1um1.5趨膚效應(yīng)122.高頻應(yīng)用領(lǐng)域基站天線衛(wèi)星通訊民用/軍用衛(wèi)星通訊網(wǎng)絡(luò)通訊交換器&路由器&服務(wù)器汽車電子汽車?yán)走_(dá)&導(dǎo)航手機(jī)通訊4G/5G手機(jī)高頻應(yīng)用13

目前幾乎所有高速存儲(chǔ)器、服務(wù)器、路由器以及很多消費(fèi)電子產(chǎn)品都具有高傳輸速率的特性，PCB產(chǎn)業(yè)也已邁進(jìn)高速的方向。USB2.0(480Mbps)交換機(jī)(1Gbps)基站(2.3Gbps)IEEE1394(B)接口（3.2Gbps）光模塊產(chǎn)品（6.25Gbps）高性能光模塊（25Gbps）一些高速電子產(chǎn)品和設(shè)備及其傳輸速率2.高頻應(yīng)用領(lǐng)域Df介于0.01~0.005電路板材適合上限為10Gbps數(shù)字電路Df介于0.005~0.003電路板材適合上限為25Gbps數(shù)字電路Df介于0.0015電路板材適合上限為50Gbps數(shù)字電路14EqualizerPre-emphasisHDIBack-drillingCopperFoilResin(Dk/Df)Fabric(Dk/Df)RCPCBCCLDesignB/OxideHolequalityEtchingStublength3.對(duì)損耗的影響因子隨著信號(hào)頻率的增加，除了設(shè)計(jì)端關(guān)于信號(hào)加重，濾波等方式優(yōu)化降低信號(hào)傳輸?shù)膿p耗外，PCB基材介質(zhì)和導(dǎo)線都會(huì)吸收能量，以及PCB加工過程中對(duì)材料的處理也會(huì)造成信號(hào)損耗的問題。154.CCL基材對(duì)損耗的影響4.1樹脂的影響不同樹脂體系成本&LossTangent關(guān)系16H-TgFR4和LowLoss樹脂對(duì)信號(hào)的影響4.1樹脂的影響174.2RC對(duì)Dk&Df的影響不同RC含量對(duì)Dk的影響184.2RC對(duì)Dk&Df的影響不同RC含量對(duì)Df的影響194.2RC對(duì)Dk&Df的影響不同材料的RC含量對(duì)Df的影響20NEglass(Dk4.6)StandardEGlassDk6.64.3玻璃纖維布的影響21STDLDK標(biāo)準(zhǔn)、Low-DK玻纖對(duì)信號(hào)的影響比較4.3玻璃纖維布的影響22高速信號(hào)下，受趨膚效應(yīng)/深度的影響，銅牙長(zhǎng)度直接關(guān)系到信號(hào)傳輸質(zhì)量：4.4銅箔的影響230.5dBinsertionlossimprovementobservedat15GHzUpto1dBinsertionlossimprovementin8inchtraceforVLPat15GHzRTF、VLP銅箔對(duì)Loss的影響比較RTFVLP4.4銅箔的影響244.5CCL基材的損耗傳統(tǒng)FR4基材損耗25

Mid-Loss基材損耗4.5CCL基材的損耗26

Low-Loss基材損耗4.5CCL基材的損耗275.PCB制作對(duì)損耗的影響通孔孔徑

通孔長(zhǎng)度

通孔Stub

內(nèi)層孔環(huán)

表面處理28通孔孔徑的不同對(duì)電路的損耗也有不同的影響。從下圖可以看出，隨著通孔直徑的增大、其引起了更大的插入損耗，隨著頻率的增加，不同通孔孔徑對(duì)插入損耗的差異也越來越大。5.1通孔孔徑對(duì)損耗的影響295.2PCB通孔孔長(zhǎng)對(duì)損耗的影響PCB通孔孔長(zhǎng)分別為0.8/1.3/1.8/2.3/2.8mm進(jìn)行測(cè)試對(duì)插入損耗的影響。從下圖可以看出，PCB通孔的長(zhǎng)度約長(zhǎng)，它所引起的插入損耗越大，所以建議在PCB設(shè)計(jì)中，通孔的長(zhǎng)度應(yīng)控制在1.3mm左右。30從如下曲線圖中可以看出的隨著頻率的增加，不同Stub長(zhǎng)度對(duì)Insertion-Loss影響越大。改用Back-Drilling方式作業(yè)可控制Stub長(zhǎng)度，能有效改善Insertion-Loss。Freq［GHz］S21

［dB］Stub長(zhǎng)度5.3Stub對(duì)損耗的影響31從如下曲線圖中可以看出的隨著頻率的增加，不同Stub長(zhǎng)度對(duì)Insertion-Loss影響越大。改用Back-Drilling方式作業(yè)可控制Stub長(zhǎng)度，能有效改善Insertion-Loss。5.4內(nèi)層孔環(huán)對(duì)損耗的影響325.5表面處理對(duì)損耗的影響PCB的表面加工處理也對(duì)電路的損耗有影響，特別是在高頻階段，不同的表面處理工藝對(duì)PCB的損耗產(chǎn)生不同的影響，大部分PCB表面處理的導(dǎo)電性都比銅箔的導(dǎo)電性差，導(dǎo)電性越差產(chǎn)生的導(dǎo)體損耗越高，從而電路的插入損耗也越大。如左圖可以看出，化學(xué)鎳金具有最高的插入損耗，而有機(jī)保焊膜、化學(xué)沉銀的插入損耗基本與裸銅相當(dāng)。33RO3003Megtron7AstraMegtron4GA880FR408HRTU872LKEM888SIT-150DA370HRTU862NP175FMIS415FR408EM-370DNPG170N185HRS1000NP175FNPG150NIT180IIT-158R1566W0.0040.0130.020I-Tera