PCB技術 - Dk與Df對高頻電路的重要性

Dk指的是什麼？

Dk介電常數又稱電容率或相對電容率，表徵電介質或絕緣材料電效能的一個重要數據。 Dk是指在同一電容器中用同一物質為電介質和真空時的電容的比值，表示電介質在電場中貯存靜電能的相對能力。 Dk介電常數代表了電介質的極化程度，也就是對電荷的束縛能力，介電常數越大，對電荷的束縛能力越强。 對於介電材料，Dk越大，電容越大。

Df損耗因數又稱阻尼因數或內耗（internal dissipation）或損耗角正切（loss tangent），Df是PCB電路板資料的損耗角，訊號在資料中傳遞的時候不完全是沿著訊號路徑向前傳遞的，還會有一部分經過材料流入了附近的導體。 使用Df來表示訊號流入附近導體（損耗掉）的能量與沿著訊號路徑傳遞的能量之間的比值。

Dk和Df通常是用來評估傳輸線損耗的關鍵因素。 Dk和Df一般是隨著頻率及溫濕度變化的，Dk隨著頻率的升高而降低，Df隨著頻率的升高而升高，不同的電路板資料Dk和Df隨外界環境（頻率及溫濕度等）的變化率不同，一般變化率越小的電路板資料越穩定。

一般到高速設計裡面，我們都追求高速板材，也就是Df較小的，對於2種板材，如果Df差不多，選Dk小的還是大的？

Dk的選擇主要是看阻抗是否能滿足，另外選擇Dk小的在同樣的疊層下同樣的阻抗要求的線寬會寬一點，這樣對高速訊號來說比較好點，同樣阻抗一致的情况下，線寬寬的導體損耗小，從損耗的公式來看，Dk小的損耗也會相對小，所以如果是高速訊號且走線很長的話當然Dk小的會好點。

我們常用的電路板PCB介質是FR-4資料的，相對空氣的介電常數是4.2-4.7。 這個介電常數是會隨溫度變化的，在0-70度的溫度範圍內，其最大變化範圍可以達到20%。 介電常數的變化會導致線路延時10%的變化，溫度越高，延時越大。 介電常數還會隨訊號頻率變化，頻率越高介電常數越小。

高頻電路板

影響Dk介電常數的因數

1、極性

一般非極性資料，如PE、PP、PS等Dk數小，約為2~3 ε 0；

低級性資料的介電常數為3~5； 極性資料的Dk為4~10，强極性則更大。 分子鏈對稱性越高的資料，則介電常數越小。

如塑膠中的F4的介電常數最小，僅2.1； PA6的較高，為4.7。

2、電場頻率

低頻率電場的頻率變化對Dk影響不大，高頻率電場則影響較大，因為極化反應需要一定的時間，所以在高頻場合頻率增大時，極性資料極化速度來不及反應使介電常數下降，頻率下降是介電常數變大。 對於非極化資料，因分子鏈對稱性好，所以介電常數對頻率變化不敏感。

3、環境溫度

溫度升高時，非極性資料介電常數變化不大，而極性資料介電常數增大，但溫度昇到某值時，會隨溫度升高而下降； 囙此極性對溫度變化敏感。 這種現象非極性也有，但變化很小。 這兩種資料在Tg或Tm點上都會發生介電常數增大現象。

4、相對濕度

濕度增大時，Dk介電常數變大，對極性資料影響更大。 因為水是極性介質，

它擴散到分子內會增大極性，吸濕後塑膠表面的水膜會新增表面電導，促進資料極化反應。 頻率低時，吸水性影響更大。 隨著頻率的增大，其影響變小。

Dk和Df與頻率的關係

Dk和Df與頻率的關係

頻率越高，Dk單調下降

頻率越高，Df有可能先上升，然後小幅波動

按Df損耗因數的高低，電路板基材可分為五個等級：

Standard Loss（Df:0.015-0.020）

Mid Loss（Df:0.010-0.015）

Low Loss（Df:0.0065-0.01）

Very Low Loss（Df:0.003-0.0065）

Ultra Low Loss（Df：＜0.003）

Df越小越好，介質損耗就越少。

導體損耗和介質損耗，PCB傳輸線的總損耗稱為插入損耗（ α t）。 它是導體Conductor損耗（ α c），介電Dielectric損耗（ α d），輻射Radiation損耗（ α r）和洩漏Leakage損耗（ α l）的總和。 洩露損耗的影響可以忽略，因為PCB具有很高的體積電阻。

輻射損耗是電路由於射頻輻射而損失的能量。 該損耗取決於頻率，介電常數（Dk）和厚度。 對於特定的傳輸線，在較高的頻率下損耗會更高。 對於相同的電路，當使用具有較高Dk值的較薄基板時，輻射損耗將較小，一般也可以忽略。

隨著電子設計技術和製造技術的進步，電子產品正逐漸向高密度、高功能、輕薄短小、高傳輸率方向發展。此外，隨著芯片小型化的快速發展和數據傳輸量的增加，系統的工作頻率也越來越高。要成為優秀的電子產品，不僅需要優秀的電路設計，還需要良好的可製造性，因為良好的可製造性可以減少量產中的問題，縮短產品開發進度，降低設計成本，從而提高產品競爭力。因此，產品設計工程師在設計電子產品時選擇PCB材料非常重要。

當電路的工作頻率在射頻頻段時，設計工程師可選擇的電路板範圍將大大縮小。比如Rogers ro4835高頻板的特殊配方提高了抗氧化性。在一定溫度下長期使用時，可提供特殊穩定的電性能，同時保持FR4熱固性樹脂的加工優勢。同時介電常數（DK）為3.48，介電損耗（DF）在10GHz時為0.0037，z軸熱膨脹係數（CTE）低，保證了金屬通孔下的可靠性各種加工和操作條件。該材料的 x 軸和 y 軸膨脹係數與銅相似，具有優異的尺寸穩定性。

隨著通信技術從2G、2.5G、3G到4G以及現在的5G，數據傳輸吞吐量越來越大，所需的帶寬越來越寬，頻率越來越高；設備的小型化也是未來的發展趨勢之一，一旦設備變小，就要求PCB具有更高的導熱係數和更高的Dk介電常數。高頻電路板材料主要用於大功率放大器、基站天線、全球定位系統、氣象雷達和氣象衛星、汽車雷達和傳感器。

PCB材料的主要參數是DK和DF。在高頻電路板中，DK值的穩定是電路板可靠性的保證，DF值應盡可能小以減少信號損失。並且，在一些高速、大規模的數據傳輸系統中也會用到一些低dk df的高頻電路板。