高速PCB设计的材料注意事项

如果您想在任何努力中获得最佳结果，则使用正确的设备是您最好的选择。对于高速PCB设计，这当然是正确的，因为正确的设备意味着合适的组件，并且最好的板材。有许多材料上的考虑因素会影响高速PCB信号的性能，包括信号衰减和受控阻抗。首先，让我们看一下影响性能的PCB材料特性；这样一来，您将有更好的能力来选择符合高速PCB设计要求的电路板材料。

 

高速PCB设计的材料属性

在当今的高频信号和快速开关设备的世界中，很可能已经或将要您进行高速PCB设计。构成高速PCB的地方有些灰色。例如，有人说，如果您的设计包含多个子电路，这些子电路在较大的总体设计中独立运行，那么您的工作速度就很高。其他人则将高速分类为走线长度足够长，以使信号的上升时间至少达到三分之二。但是，大多数设计人员都会同意，信号频率决定了高速。通常，这指的是超过50MHz的任何东西，但是被归类为“高速”的板通常设计为可容纳500MHz至2GHz的频率。这是因为在这个近似的频率范围内，信号完整性问题 开始影响PCB性能，电路板材料的选择对整体电路板设计的影响更大。

在高频下，信号完整性可能受到以下因素的影响： 板性能电气的或机械的。其中最主要的是介电常数dk，损耗因子df，介电损耗，导体损耗，Ploss和PCB堆叠。为确保这些特性不会对信号完整性产生不利影响，请限制信号衰减（更准确地说，信号衰减随频率变化），并控制阻抗。

信号衰减–通常表示为指数衰减，这是指根据信号类型或形式和频率，信号强度随时间的降低。控制元素是基于系统阻抗（R + j X）的时间常数,，就我们的目的而言，它是包含信号通过的走线或通道的板材。由于PCB可以归类为线性时不变系统1，因此可以使用以下方程式分析信号完整性的衰减效应。

对于固定大小的信号（例如，数字开关），V（t）= Vo（t）exp（-t / r）①

其中V（t）是时间t的信号强度

Vo（t）是初始信号强度

r是时间常数（通常由RC或L / R表示，具体取决于用于信号路径的传输线模型）

V（t）= Vo（t）exp（-t / r）+（A /（jw + t / r））（exp（jwt）– exp（-t / r）②对于模拟信号

其中A是模拟信号峰值幅度

w= 2πf是角频率

对于等式①和②，时间常数越大，信号强度下降所需的时间越长。

受控阻抗–阻抗控制是高速PCB设计中的关键因素。为了获得最佳信号完整性，希望在整个信号路径中保持一致的阻抗，并使差分对的阻抗匹配。这可以通过使用相同的走线长度，铜线重量以及信号走线和返回走线之间的固定距离来完成。防止阻抗不匹配将减少或消除传输线反射，从而减少信号幅度并引起频移。

根据欧姆定律，我们知道电阻（阻抗的真实部分）会在整个距离上衰减信号强度。还已知阻抗（电抗）的虚部（源自电容和电感）会使信号偏离其基频。为了减轻这些信号完整性问题的影响，使用特性阻抗（Z0）来确定电路板属性，例如dk，走线宽度和层厚度。或者相反，针对给定的板材料属性确定阻抗。

Z0 = [（R +jωL）/（G +jωC）] 0.5基本特性方程式③

有 封闭式解决方案到等式 （3）用于微带，带状线和接地共面波导（GCPW）传输线模型类型，包括单端和差分对。此外，免费下载工具 可从罗杰斯公司获得。

 

高速PCB设计材料选择

在选择用于高速PCB设计的材料之前，有必要确定一条或多条传输线的dk和Z0值。您的PCB设计软件可能允许您设置这些值，并将它们包括在其中。设计文件为您的合同制造商（CM）。如果没有，在线上有dk图表和阻抗计算器可帮助您获得正确的值。现在，您准备为高速PCB设计材料选择实施两步解决方案！

步骤1：选择板材的类型

从推荐用于高频PCB的类型中选择材料类型。这包括选择芯材，预浸料和基材材料。您可能能够利用混合结构，在这种结构中，为高频选择了信号层材料，但其他层则可以使用其他材料来降低制造成本。

步骤2：选择板材的厚度和铜的重量

使用计算得出的或首选的dk和Z0值来选择厚度和铜的重量。切记在整个信号路径中保持阻抗一致性。