PCB基板材料的介电常数和信号完整性

PCB设计人员通常会忽略的PCB基板材料的一个方面是基板介电常数对PCB中信号完整性的影响。色散存在于任何材料中，这会使数字信号失真，尤其是在设备以非常高的速度切换时。设计人员在为其下一个设备选择合适的基板时，需要在成本，性能和其他材料特性之间进行权衡。

您应该使用高k或低k PCB基板材料吗？

回答这个问题实际上是在考虑介电常数和其他PCB基板材料属性之间的折衷。一些PCB基板材料（例如Rogers高速层压板或其他陶瓷材料）具有更理想的光学特性，但成本更高。这些其他材料在制造过程中可能更难以使用，因此它们也带来更高的制造成本。某些PCB基板材料更适合与RF电路和组件配合使用，并且可能是在极高速度和高频下运行的关键任务应用的最佳选择。

虽然我们通常考虑介电常数的虚部，但从布局的角度来看，实部（即折射率）也很重要。介电常数的实部决定电磁波在材料中传播的速度，而虚部则决定电磁波在材料中传播的增益或损耗。就PCB设计而言，介电常数和走线几何形状将决定信号如何沿走线传播。

标准FR4基板的介电常数约为4.5，尽管基板中使用的编织图案会影响介电常数的精确值。陶瓷填充的PTFE基板的介电常数可以从〜3调整到〜10，并且通过使用不同的填料和粘结材料可以将损耗降低一个数量级。调整对PCB基板材料中的分散性的影响各不相同，尽管最好的材料制造商将掌握这些数据以供设计人员使用。

 

实际部分：传播延迟和阻抗

如果您记得物理学上的101类，那么您就会知道折射率（即介电常数的实部的平方根）决定了电磁波在材料中传播的速度。迹线上的信号速度取决于有效介电常数，该有效介电常数由迹线的几何形状和PCB基板材料的介电常数确定。

注意，对于给定的基板材料，带状线的有效介电常数将大于微带线。如果查看微带线和带状线的阻抗方程式，则意味着在特征阻抗计算中不应包括介电常数的虚部。相反，阻抗仅由基板介电常数的实部和走线几何形状确定。

走线上的信号速度会影响到传输线行为的转变。迹线越长，信号的传播时间就越长。考虑传输线效应以及阻抗匹配和端接要求的关键阈值是传播延迟大于信号上升时间的〜35％。

虚部：损耗正切，寄生和损耗

介电常数的虚部（也称为耗散因数或损耗角正切）决定了信号在走线时的损耗。总体上，带电磁波的走线有三种主要的损耗来源：

l 介电损耗：这是由于PCB基板材料中感应极化波的大小和相位而引起的。这与介电常数的虚部有关，虚部与衬底的电导率成比例。

l 迹线中的电阻加热：由于迹线中的薄层电阻，一些电磁能被转换为热量。注意，由于集肤效应，在高频下，迹线的薄层电阻可能会很大。

l 寄生：基板具有一些残余电导，这允许信号中的某些电流流向返回线。衬底介电常数的实部也决定了寄生电容。这两个术语共同确定损耗正切。

通常不考虑的其他三个损失来源是：

l 插入损耗：这在传输线中很重要，与特性阻抗，信号频率，走线几何形状和有效介电常数有关。

l 辐射损耗：任何振荡电流都会发射电磁波，从而将能量带离电路。

l 导体的粗糙度：电磁场将集中在导体的粗糙边缘附近，从而导致这些区域的电阻损耗更大。

PCB中走线的传输线模型和阻抗模型通常会省略介电常数的虚部，但是走线的几何形状和嵌入PCB基板材料中的几何形状会通过更改有效介电常数（实部和虚部）来影响损耗。

微带上的信号比带状线上的信号损耗更低，因为带状线迹线被电介质包围。这是因为该波部分通过导线周围的电介质行进，并且会遭受基板的电介质损耗。由于导体与PCB基板材料之间的界面处的连续性，这些波将耦合回到迹线中，这决定了信号沿导体导引时的损耗。当与电阻加热一起考虑时，这解决了上面的前两点。

当与介电常数的实部一起考虑时，分别与实部和虚部相关的衬底的寄生电容和电导率确定损耗角正切。可以用以下公式来总结：

 

最初可以得出的结论是，生产出的体积较小且必须在非常高的速度或频率下保持信号完整性的设备应使用损耗较低的材料。从传播延迟的角度来看，使用较低的介电常数是有益的，尽管它会对PCB中走线和传输线的特征阻抗产生混合影响。需要仔细建模才能确定下一个高速或高频系统介电常数的实部和虚部的可接受范围。

随着设计变得更加复杂，并正确地建模PCB基板材料的介电常数，诊断信号完整性问题可能会非常棘手。强大的信号完整性和功率完整性工具在Sigrity的宽带SPICE包为设计者提供了他们需要诊断介电常数对信号完整性的高速和高频系统的影响的工具。这种独特的工具考虑了用于各种电路分析的一系列IC封装。