Selecting PCB Materials For High-Speed Digital Circuits

随着微处理器和信号转换器等元件每秒数十亿次的运行速度，数字电路也不断达到更高的运行速度。诚然，传输线阻抗不连续性和多层电路板层间互连电镀通孔（PTH）的缺陷等都会对高速数字电路产生不良影响。但不符合具体应用的PCB材料的选用也会对高速数字电路的性能造成不良影响。这就引出了一个问题，高速数字电路应用的PCB材料选择应该考虑哪些主要因素？

模拟电路工程师通过介电常数（Dk）和损耗因子 (Df) 等与性能相关的一些重要的材料参数来选用合适的PCB材料。当为高速数字电路应用选用PCB材料时，这些参数也可作为参考标准。实际上，为高速数字电路选用合适PCB材料将有助于理解高速数字信号和高频模拟信号的相互联系。

随着数字电路运行速度不断提升，当使用一些通用PCB材料如FR-4加工这些电路时，会由于多种原因达不到最终性能要求。在诸多方面，高速数字电路和高速数字信号对电路材料的需求同微波毫米波模拟电路对电路材料的需求类似。

举例来看，10Gb/s的高速数字信号是方波信号，它可以看成是许多不同频率但彼此相关的正弦信号的叠加。因此，10Gb/s的高速数字信号包含许多不同频率的信号成分，如5GHz的基波频率，也包含3阶15GHz、5阶25GHz、7阶35GHz（和其他更高阶的）等谐波信号。

保持数字信号的完整性以及上升沿、下降沿的边沿陡峭程度相当于模拟电路中实现毫米波（数字信号的谐波信号）的低损耗和低失真传输。能保持10Gb/s高速数字信号完整性的PCB材料也应当能实现35GHz到40GHz毫米波模拟信号的低损耗低失真传输。对毫米波模拟信号传输性能起关键作用的PCB材料参数也是高速数字电路PCB材料选型的重要参考。

高速数字电路PCB材料选择的主要参考指标包括Dk，损耗角正切，损耗以及介质层厚度。无论是模拟电路还是数字电路，PCB介电常数Dk一贯是材料选用的重要参数，因为Dk值与应用于该材料上的实际电路阻抗值关系密不可分。当PCB材料的Dk值变化时，无论它是随频率变化，随温度变化或其他原因，电路的传输线阻抗都会产生意想不到的变化，进而对宽带高频模拟电路和高速数字电路的性能造成不利影响。尤其是，Dk值和阻抗的非预期改变会使高速数字信号的高阶谐波成分产生失真，进而使信号的完整性下降。通常，Dk值随频率和温度变化非常小的，稳定的PCB材料可用于高速数字信号的高次谐波、低失真的电路，这可通过测量高速数字电路观察到规则且清楚的眼图反映出来。

对于PCB材料，色散是一个同Dk值联系紧密的材料特征。所有PCB材料都会产生一定程度的色散，这是因为PCB材料的Dk值都会随着频率改变。电路材料的Dk值随频率的变化越小，电路的色散就越小，对高速数字电路应用就越好。介质材料的极化、材料的损耗以及在高频段铜导体的表面粗糙度如何影响PCB材料损耗等各种不同因素都会引起电路的色散。对于高速数字信号，如果PCB材料的Dk对于不同频率的谐波成分呈现不同值，将导致谐波成分产生一定程度的损耗和甚至频率偏移，进而导致高速数字信号的性能下降。

PCB信号的损耗随频率的增加，特别是随高速数字信号的高阶谐波成分的频率变化，将产生严重的幅度衰减，从而导致高速数字信号的失真。如同之前多期博客中所提，介质损耗和铜导体损耗等诸多因素都会造成PCB电路的损耗。

高速数字电路PCB的导线长度和保持其信号完整性也有很大关联。任何PCB电路的损耗是频率的函数，会随着频率的上升而增加。PCB材料的损耗可能在基波频率5GHz （前文提到的高速数字信号）处可以接受，甚至可能在其三次谐波频率15GHz也有较低的损耗，但在五次、七次谐波处就可能存在严重的损耗。此外，信号的损耗会随着导线长度的增加而增大。例如，对于10英寸长度的高速数字电路，在5GHz时，信号损耗在起始一英寸长度为0.5dB，即0.5dB/inch，在整个电路长度上将产生5dB的损耗。

由于介质损耗和铜箔导体损耗影响，对于高速数字信号，其高阶谐波成分的电路长度总损耗比低阶谐波成分的总损耗更大一些。对于某些电路材料，10英寸电路损耗在高速数字信号的5阶和7阶谐波处可以达到10dB甚至更高，这将导致PCB材料中传输的高速数字信号产生较大的失真。

如前所述，Dk值改变导致的PCB传输线阻抗值的改变会引起高速数字信号的失真。对于高速数字电路，还应该关注电路的物理结构对性能的影响。在PCB电路中，传输线的直角弯曲等都会影响电路性能。直角弯曲意味着传输线有效宽度的改变，这将导致传输线阻抗的不连续，并使弯曲处的电路电容增加。斜切45度弯曲设计既能最小化阻抗的不连续性，又能最小化信号通过此处时产生的反射。

高速数字电路的运行速度也可以作为PCB材料的选择的考虑因素。电路的运行速度越高，所选用的PCB材料的损耗和Df等参数应该越小。具有中、低损耗参数的电路材料适用于上限10Gb/s的数字电路；具有更低损耗参数的电路材料适用于上限25Gb/s的数字电路；具有超低损耗参数的电路材料则适用于更快的高速数字电路，其运行速度可以为50Gb/s或者更高。从材料参数Df角度看，Df介于0.010 到 0.005的电路材料适用于上限10Gb/s的数字电路，Df介于0.005 到 0.003的电路材料适用于上限25Gb/s的数字电路，Df不超过0.0015的电路材料可适用于50Gb/s 甚至更高运行速度的数字电路。

以罗杰斯公司(www.rogerscorp.com)提供的RO4003™ PCB材料为例，RO4003TM是陶瓷填充玻璃纤维加固的碳氢化合物层压板。10GHz时，该材料的纵向（Z向）Dk为3.38，纵向（Z向）Df值为0.0027。该材料的Dk频率稳定性极好，其偏差不超过±0.05。由于其稳定的低Dk值，该材料已经应用于毫米波频段内的宽带模拟电路和运行速度达25Gb/s的低失真高速数字电路。此外，为适用于高速数字电路，该材料的介质厚度都严格控制以与多层PCB电路兼容。

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