究竟是什么导致线路板材料的Dk发生变化？

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。

原文标题：浅析材料及加工对PCB电路Dk和相位一致性的影响

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责任编辑：haq