PCB基板材料的介电常数和信号完整性

如果你曾经玩过棱镜作为一个孩子,那么你可能知道它如何可以用来把白光分解成其组成的颜色和它如何弯曲光线穿过它。这些都是基本的实验,学生将需要执行和理解他们在科学和工程事业做准备。

PCB基板材料的一个方面,可以通过PCB设计者是经常被忽视的衬底介电常数对信号完整性的影响PCB。分散存在于任何材料,这可以扭曲数字信号,特别是当一个设备开关以非常高的速度。设计师需要考虑成本之间的权衡,性能,和其他材料属性时选择合适的衬底的下一个设备。

你应该使用High-k PCB基板材料或性能材料?

回答这个问题是关于考虑介电常数之间的权衡和其它PCB基材的特性。一些PCB基板材料,如罗杰斯高速复合材料或其它陶瓷材料,有更多理想的光学性质,但更高的成本。这些其他材料可以较难,在制造过程中,因此也有较高的制造成本。某些PCB基板材料更好的处理射频电路和组件任务关键型应用程序,可能是最好的选择,以极高的速度和高频率操作。

虽然我们通常考虑介电常数的虚部、实部(即。折射率)从布局角度来说也很重要。介电常数的实部决定一种电磁波传播的速度通过一个材料,而材料的虚部确定损益的波传播。PCB设计而言,介电常数和跟踪几何将决定沿着跟踪信号传播。

标准FR4基板的介电常数~ 4.5,虽然编织模式中使用的基质会影响介电常数的精确值。陶瓷的介电常数聚四氟乙烯基板可以通过调优~ 3 ~ 10和损失可以减少一个数量级通过使用不同的填充剂和粘结材料。调优的效果分散的PCB基板材料不同,尽管最好的材料制造商将手头有这些数据供设计人员使用。

你最好构建在陶瓷板PCB基板材料

真正的部分:传播延迟和阻抗

如果你还记得你的物理101班,那么你知道折射率(即。的平方根,介电常数的实部)决定一种电磁波传播的速度通过一个材料。信号跟踪的速度取决于有效介电常数,这是由几何的跟踪和PCB基板材料的介电常数。

注意,对于给定的基材,带状线将会有更大的比微带有效介电常数。如果你看看阻抗微带和带状线的方程,这是暗示你应该不包括介电常数的虚部的特性阻抗计算。相反,阻抗只取决于衬底介电常数的实部和跟踪几何。

信号跟踪的速度影响过渡到输电线路的行为。较长的痕迹,一个信号的传播时间更长。考虑传输线效应和临界阈值的要求阻抗匹配和终止是传播延迟大于~信号上升时间的35%。

虚部:损耗角正切、寄生和损失

介电常数的虚部(也称为耗散因子或损耗角正切)决定了信号的损失视为它穿过一个痕迹。总共有三个主要来源跟踪携带一种电磁波的损失:

• 介电损失:这发生由于大小和相位激发极化波的PCB基板材料。这是与介电常数的虚部,这是与基板的导电率成正比。

• 电阻加热的痕迹:一些电磁能量转化为热量,由于薄层电阻的痕迹。注意跟踪可能很大的薄层电阻在高频率由于皮肤的效果。

• 寄生:衬底有一些残留的电导,它允许一些电流信号通过回流管。衬底介电常数的实部也决定了寄生电容。这两项一起确定损耗角正切。

其他三个来源的损失,一般不认为是:

• 插入损耗:这是重要的输电线路特性阻抗有关,信号频率、跟踪几何和有效介电常数。

• 辐射损失:任何振荡电流会发出一种电磁波,它带走能量的电路。

• 粗糙度的导体:粗糙的边缘附近的电磁场将集中指挥,导致这些地区更大的电阻损失。

输电线路模型和阻抗模型的痕迹PCB经常省略介电常数的虚部,但痕迹的几何和嵌入在PCB基材会影响损失通过改变有效介电常数(包括实部和虚部)。

信号微带蒙受损失低于信号斯卓普林因为带状线是由介质包围的痕迹。这是因为波传播部分通过跟踪和周围的介质将经历从衬底介电损失。这些电波将几回跟踪由于连续性在导体之间的接口和PCB基材,这决定了损失信号沿着导体。当考虑与电阻加热,这个地址上面的第一个2分。

当考虑与介电常数的实部,寄生电容和电导的衬底,分别是相关的实部和虚部,确定损耗角正切。这可以归纳为如下公式:

方程损耗角正切

最初可以得出这样的结论:设备体积和较低的生产必须保持信号完整性以非常高的速度或频率应该使用较低的物质损失。使用一个较低的介电常数是有益的从传播延迟的角度来看,尽管它有混合效果跟踪和传输线特性阻抗的PCB。小心建模需要确定一个可接受的范围内的介电常数的实部和虚部为您的下一个高速或高频系统。

诊断信号完整性问题可能会非常棘手你的设计变得更加复杂,正确建模PCB基板材料的介电常数。的强有力的信号完整性和电源完整性的工具在Sigrity宽带香料包为设计师提供了他们需要的工具来诊断介电常数的影响在高速信号完整性和高频系统。这种独特的工具认为一系列IC包用于各种电路分析。

如果你想了解更多关于节奏是如何对你的解决方案,跟我们和我们的专家团队。