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高頻微波技術

高頻微波技術 - 高速高頻電路板對CCL的要求

高頻微波技術

高頻微波技術 - 高速高頻電路板對CCL的要求

高速高頻電路板對CCL的要求
2024-05-12
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Author:iPCB      分享文章

用於高頻訊號和高速數位訊號傳輸的印刷電路板介質層,不僅單純起著導體之間的絕緣層作用,而且更重要地是起著特性阻抗作用,還影響著訊號的傳送速率、訊號衰减和發熱等問題。

所有物質都存在著介電常數,只是介電常數值Dk大小不同而已。 介電常數又可稱為電容率,它表徵著電介質在外界電場作用下電極化性質的一個物理量。


由於CCL中的介質層是玻纖布、樹脂等組成的複合材料,其組成和結構等因素决定了各處的介電常數值是不同的。 囙此,訊號在介質層中的傳送速率是在變化著,其變化程度是取決於各處的介電常數值的波動程度。

要在電路板導線中獲得穩定速度的傳輸訊號,如採用薄型結構的扁平式的玻纖布、結構和樹脂與無機填料等來獲得均勻性好的介質層,使各處的介電常數值趨於一致性,才能使高頻化和高速數位化的訊號傳送速率波動小。

基板介電常數越低,訊號傳播得越快,囙此要得到高的訊號傳輸速率,就必須研究開發低而均勻的介電常數基板材料。


介質層的介電常數對特性阻抗的影響

由於在訊號傳輸的電路中的導體與地層之間存在著電感(L)、電容(C)、電阻(R)和電導(G),從而形成了分佈常數,並决定了特性阻抗值(Z r),如下式所示:

特性阻抗值公式

特性阻抗值公式

式中的j為(-1)1/2,角頻率w=2∏f

如果特性阻抗值(Z0)發生變化,則傳輸訊號便發生改變,這種訊號改變的結果便導致訊號“反射”、“駐波”而形成失真(雜訊)等。 可以說訊號傳輸過程各處產生的訊號“反射”、“駐波”的大小是由該處的特性阻抗值(Zr)與控制(要求)特性阻抗值(Z0)之差來决定的。


介質層的介電常數對特性阻抗的影響

印刷電路板中兩款常見的微帶線結構和帶狀線結構的特性阻抗示意圖及其關係式如下:

兩種常見電路板傳輸線的組成結構及公式

兩種常見電路板傳輸線的組成結構及公式

H——介質層厚度;

Ln——自然對數;

W——導線(體)寬度;

T——導線(體)厚度。

我們已經知道介電常數變化對特性阻抗值的變化。 囙此在生產電路板過程中對介質層的介電常數和厚度的變化情况和結構必須給於充分的注意與合適的選擇,才能獲得客戶滿意要求。


介質損耗Df

介質損耗(tan δ、 Df)亦稱損耗因數、介質損耗角正切。 一般定義有:絕緣材料或電介質在交變電場中,由於介質電導和介質極化的滯後效應,使電介質內流過的電流相量和電壓相量之間產生一定的相位差,即形成一定的相角,此相角的正切值即為損耗因數Df,由介質電導和介質極化的滯後效應引起的能力損耗叫做介質損耗。

Df越高,滯後效應越明顯。

介質損耗Df

介質損耗Df


電路板上的訊號傳輸損失與基板材料性質的關係

導體電路上的傳輸損失中的介質損失主要是受到基板材料絕緣層的介電常數( ε r)、介質損失因數(tan δ) 所支配的。 對傳輸損失的影響與 ε r、tan δ 的大小成正比,並與介質工作時的頻率大小相關。


CCL中介質損耗(ad)的影響

隨著頻率新增,基板中的損耗不能再忽略不計,訊號的傳播損耗或衰减可以表示成:

訊號的傳播損耗或衰减

式中:

Ad——訊號傳播衰减,組織為dB/m;

ε r——基板的介電常數;

tan δ—— 基板的介質損耗因數或Df;

f——頻率


CCL中介質損耗(ad)的影響

介質損耗(ad)大小就意味著訊號傳輸的衰减程度,這種訊號傳輸的衰减往往是產生熱而消耗,訊號衰减和熱耗必然隨著高頻化和高速數位化的訊號傳輸而迅速新增。 囙此,對於高頻化和高速數位化的訊號傳輸來說,介質損耗(ad)越小越好,囙此要求C C L的介質層的介質損耗(ad)、介電常數、特別是介質損耗角正切越小越好。

當然,在P C B板中的總損耗(a)是導電損耗(ac)和介質損耗(a d)之和。

a = ac + ad

這就是電路板在使用過程中內部產生(除了元器件發熱和傳導熱外)熱的根本原因。


CCL中介質厚度對訊號傳輸的影響

在高頻化和高速數位化的訊號傳輸的過程中,介質厚度主要是影響串擾(譟音)、特性阻抗值(Z 0)和絕緣效能。

1、在確定線寬/間距(L / S)下,介質厚度太厚時,便會發生串擾(譟音),程度將隨著厚度新增而嚴重化,囙此必須選擇合適的厚度。

2、串擾(譟音)的影響將隨著線寬/間距(L / S)的縮小或隨著電路板高密度化的持續發展和傳輸訊號的高頻化和高速數位化的發展要求介質厚度必須不斷薄型化。

3、串擾(譟音)的影響將隨著傳輸訊號的高頻化和高速數位化的發展而嚴重化,這是因為產生的串擾(譟音)的頻率(組織時間內的次數)的累計而明顯增加了。


CCL中介質厚度對特性阻抗的影響

介質層厚度(H)對特性阻抗值的影響主要表現在厚度大小、組成和厚度均勻性方面:

介質層厚度(H)的新增,特性阻抗值呈“5.98倍自然對數”新增著,這是影響特性阻抗值的主要因素。

介質層厚度(H)結構、組成和厚度的均勻性和波動變化程度影響著特性阻抗值。 如在相同厚度的介質層下,分別由106、1080、2116或7628等與樹脂組成的介質層,其特性阻抗值是不相同的。

囙此可以理解電路板各個介質層中各處的特性阻抗值是不一樣的。 所以,在高頻化和高速數位化的訊號傳輸的電路板產品,應該選擇薄型玻纖布或開纖扁平M S)布為宜,可以减小特性阻抗值的波動。


CCL中銅箔表面粗糙度的影響

為了提高C C L中不同材料介面之間的結合力、耐熱性和减少滑動而引起的內應力集中,大多採用在C C L中樹脂(或介質層)與銅箔接合的介面進行粗糙化處理,可新增與樹脂接觸“比表面積”來達到目的。

與樹脂接觸的銅箔表面處理後的粗糙度如下。

銅表面粗糙度

銅表面粗糙度

1、隨著訊號傳輸高頻化和高速數位化的發展,趨膚效應已經越來越大地影響著訊號傳輸的質量和可靠性,其訊號傳輸厚度(d)的關係式如公式

公式

2、趨膚效應是指訊號的頻率傳輸越快,訊號傳輸就越來越接近導體的表面。 高頻化的趨膚效應。 越來越嚴重,傳輸訊號損失越來越大。 隨著訊號傳輸頻率的提高,其在導體內傳輸厚度嚴重性如下表所示。

信號傳輸頻率與趨膚效應

信號傳輸頻率與趨膚效應

當訊號傳輸頻率在500 MHZ時,其訊號在導線表面的傳輸厚度為3um,CCL銅箔底部粗糙度為3mm~5mm時,訊號傳輸僅在粗糙度的厚度範圍內進行;

當訊號傳輸頻率提高到1GHZ時,其訊號在導線表面的傳輸厚度為2.1mm左右,當然其訊號傳輸更是在粗糙度的厚度範圍內進行;

當訊號傳輸頻率提高到10GHZ時,其訊號在導線表面的傳輸厚度為0.7mm左右,當然其訊號傳輸更是在粗糙度的厚度範圍內進行;

當傳輸訊號僅在“粗糙度”的尺寸層內進行傳輸時,那麼必然產生嚴重的訊號“駐波”和“反射”等,使訊號造成損失,甚至形成嚴重或完全失真。 為了减小這種“失真”,需要更嚴格控制導線粗糙度。

CCL中銅箔表面粗糙度的影響

CCL中銅箔表面粗糙度的影響

CCL廠商對高頻材料進行了長期的改善。 但出於CCL的結構組成,不外乎下述幾種思路:

採取極性更低、Dk/Df更小的樹脂體系; 如進行環氧樹脂的改性(聚苯醚改性環氧樹脂、氰酸酯改性環氧樹脂)或換用其它樹脂(聚四氟乙烯、聚苯醚和改性聚苯醚、氰酸酯樹脂)。

採用Dk更低而且均勻性一致的玻璃布材料; 如扁平式玻璃布等。為了减少肌膚效應,採用低粗糙度的反轉銅箔等。


以上分享了高速電路板及高頻電路板CCL的要求,包括介質層的介電常數對特性阻抗的影響,介質層的介電常數對特性阻抗的影響,CCL中介質損耗(ad)的影響,CCL中銅箔表面粗糙度的影響。