PCB高頻技術(shù)研討報(bào)告

1、1高頻技術(shù)研討報(bào)告制作：卞華昊 23/Feb/2017 21. 高頻信號基礎(chǔ)2. 高頻應(yīng)用領(lǐng)域3. 對損耗的影響因子4. CCL基材對損耗的影響5. PCB 制作對損耗的影響6. 我司高頻材料Df等級目錄31. 高頻信號基礎(chǔ)高頻信號，顧名思義就是頻率較高的信號。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)F100MHz的時(shí)候,或信號上升時(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)完成振動的次數(shù)，是描述振動物體往復(fù)運(yùn)動頻繁程度的量。常用符號F (frequency) 表示?；締挝皇呛掌潱℉z），簡稱赫，常用千赫（KHz）或兆赫（MHz）或吉赫（GHz

2、）做單位。1.1 高頻的定義4 對于高速產(chǎn)品，并沒有明確定義，一般認(rèn)為對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 Microstrip 微帶微帶線線StriplineStripline 帶狀線帶狀線優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)簡單方面，PCB制作容易管控不易受外界訊號干擾缺點(diǎn)輻射損耗大，易于受外界訊號干擾對介層管控要求嚴(yán)格，受孔Stub影響較大。1.2 高速信號和的傳輸線PlatformSDD21 4GHzSDD21 8GHzRomley-0.8dB/inch(SL)-0.84dB/inch(MS)-1.60dB/inch(SL)-1.68

3、dB/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比，即成了所謂的“相對容電率”(Relative Permittivity)，r，也就是所謂的Dk值或稱介質(zhì)系數(shù)(Dielectric constant)。從信號傳輸品質(zhì)的角度來看，介電常數(shù)的含義可以理解為介質(zhì)對電荷的吸附能力，介電常數(shù)越大，其對信號的吸附能力越

4、強(qiáng)，可供使用的信號余量便越小。介電能力即相當(dāng)于容電能力。介電能力對比（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, GHzInsertion Loss, dBDf = 0.01Df = 0.031.3 介電常數(shù)（Dk）和損耗因子（Df） Dk 與 Insertion Loss 關(guān)系7損耗因子（Df）即為散失因子（dissipation factor），表示信號傳輸時(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）對比時(shí)，即得到Df。介質(zhì)損耗因子與頻率的相

5、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（簡稱插損，數(shù)學(xué)描述為S21，或insertion loss）：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反射信號接收信號簡單二端口網(wǎng)絡(luò)示意圖相位差幅度1.4 插入損耗的概念9插入損耗插入損耗導(dǎo)體熱導(dǎo)體熱消耗消耗反射反射介質(zhì)損介質(zhì)損耗耗趨膚效趨膚效應(yīng)應(yīng)耦合、耦合、串?dāng)_串?dāng)_輻射輻射介質(zhì)中粒子振動導(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 無損傳輸線是不存在的，通路上的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都會造成損耗，損耗受控是一個(gè)真正的

6、挑戰(zhàn)。右圖為傳輸線中主要插入損耗來源于傳輸?shù)男盘栴l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)色表示最小）趨膚深度：趨膚深度：磁導(dǎo)率：電導(dǎo)率f： 頻率對于純銅導(dǎo)線：=410-7 H/m=5.8 107 S/m則在1GHz頻率下： 銅=2.1um1.5 趨膚效應(yīng)122. 高頻應(yīng)用領(lǐng)域基站天線基站天線衛(wèi)星通訊衛(wèi)星通訊民用/軍用衛(wèi)星通訊網(wǎng)絡(luò)通訊網(wǎng)絡(luò)通訊交換器 & 路由器 & 服務(wù)器汽車電子汽車電子 汽車?yán)走_(dá) & 導(dǎo)航手機(jī)通訊手機(jī)通訊4G/5G手機(jī)13 目前幾乎所有

7、高速存儲器、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。USB2.0USB2.0( (480Mbps480Mbps) )交換機(jī)交換機(jī)(1Gbps)(1Gbps)基站基站(2.3Gbps)(2.3Gbps)IEEE 1394(B)IEEE 1394(B)接口接口（3.2Gbps3.2Gbps）光模塊產(chǎn)品光模塊產(chǎn)品（6.25Gbps6.25Gbps）高性能光模塊高性能光模塊（25Gbps25Gbps）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0.010.005 電路板材適合上限為10Gbps 數(shù)字電路Df 介于0.0050.003 電

8、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-drillingCopper FoilResin (Dk/Df)Fabric (Dk/Df)RCPCBCCLDesignB/OxideHole qualityEtchingStub length3. 對損耗的影響因子隨著信號頻率的增加，除了設(shè)計(jì)端關(guān)于信號加重，濾波等方式優(yōu)化降低信號傳輸?shù)膿p耗外，PCB基材介質(zhì)和導(dǎo)線都會吸收能量，以及PCB加工過程中對材料的處理也會造成信號損耗的問題。154. CCL 基材對損耗的影響4.1 樹脂的影

9、響不同樹脂體系成本 & Loss Tangent 關(guān)系16H-Tg FR4和Low Loss 樹脂對信號的影響4.1 樹脂的影響174.2 RC 對 Dk & Df 的影響不同RC含量對Dk的影響184.2 RC 對 Dk & Df 的影響不同RC含量對Df的影響194.2 RC 對 Dk & Df 的影響不同材料的RC含量對Df的影響20NE glass (Dk 4.6)Standard E Glass Dk 6.64.3 玻璃纖維布的影響21STDLDK標(biāo)準(zhǔn)、Low-DK玻纖對信號的影響比較4.3 玻璃纖維布的影響22高速信號下，受趨膚效應(yīng)/深度的影響，銅牙長度直接關(guān)系到信號傳輸質(zhì)量：4.

10、4 銅箔的影響230.5dB insertion loss improvement observed at 15GHzUp to 1dB insertion loss improvement in 8inch trace for VLP at 15GHzRTF、VLP銅箔對Loss的影響比較RTFVLP4.4 銅箔的影響244.5 CCL基材的損耗l 傳統(tǒng)FR4基材損耗25l Mid-Loss基材損耗4.5 CCL基材的損耗26l Low-Loss基材損耗4.5 CCL基材的損耗275. PCB制作對損耗的影響l 通孔孔徑l 通孔長度l 通孔Stubl 內(nèi)層孔環(huán)l 表面處理28通孔孔徑的不同對

11、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，不同通孔孔徑對插入損耗的差異也越來越大。5.1 通孔孔徑對損耗的影響295.2 PCB 通孔孔長對損耗的影響PCB通孔孔長分別為0.8/1.3/1.8/2.3/2.8mm 進(jìn)行測試對插入損耗的影響。從下圖可以看出，PCB通孔的長度約長，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 長度對Insertion-Loss 影響越大。改用Back-Drilling 方式作業(yè)可控制Stub 長度，能有效改善In

12、sertion-Loss。Freq GHzS21 dBStub 長度長度5.3 Stub對損耗的影響31從如下曲線圖中可以看出的隨著頻率的增加，不同Stub 長度對Insertion-Loss 影響越大。改用Back-Drilling 方式作業(yè)可控制Stub 長度，能有效改善Insertion-Loss。5.4 內(nèi)層孔環(huán)對損耗的影響325.5 表面處理對損耗的影響PCB 的表面加工處理也對電路的損耗有影響，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)

13、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)。33RO3003RO3003Megtron7Megtron7AstraAstraMegtron4Megtron4GA880GA880FR408HRFR408HRTU872LKTU872LKEM888SEM888SIT-150DAIT-150DA370HR370HRTU862TU862NP175FMNP175FMIS415IS415FR408FR408EM-370DEM-370DNPG170NNPG170N185HR185HRS1000S1000NP175FNP175FNPG150NNPG150NIT180IIT180IIT-158IT-158R1566WR1566W0.0040.0130.020I-I-TeraTeraRO4350RO4350TU-883TU-883IT