PCB新聞 - 影響PCB DK一致性的因素

隨著頻率的持續新增，控制PCB DK的一致性變得越來越困難。準確預測PCB中的DK變化並不是一項簡單或常規的任務。 高頻高速PCB的訊號DK在很大程度上取決於由其處理的傳輸線的結構，以及PCB的介電常數（DK）。 介質的Dk越低（例如，空氣的Dk約為1.0），電磁波傳播得越快。 隨著Dk的新增，波的傳播速度减慢，這也會影響傳播訊號的Dk響應。 當傳播介質的Dk變化時，波形Dk發生變化，因為較低或較高的Dk將導致傳播介質中的訊號速度相應地新增或减小。

PCB的Dk通常是各向異性的，在長度、寬度和厚度三個維度（對應於x、y和z軸）（3D）上具有不同的Dk值。 對於某些特殊類型的電路設計，不僅要考慮Dk的差异，還要考慮電路製造對Dk的影響。隨著PCB工作頻率的新增，特別是在微波和毫米波頻率下，如第五代（5G）蜂窩無線通訊網絡基礎設施設備和電子輔助車輛中的先進駕駛輔助系統（ADAS），Dk的穩定性和可預測性將變得越來越重要。

那麼，究竟是什麼導致了PCB Dk的變化呢？ 在某些情况下，PCB上的Dk差异是由資料本身引起的（例如銅表面粗糙度的變化）。 此外，惡劣的工作環境（如高溫）也會導致PCB的Dk發生變化。

各向異性是電路板資料的一個重要特性，Dk的性質與三維數學中的“張量”非常相似。 三個軸上的不同Dk值導致三維空間中的電通量和電場強度存在差异。 根據電路中使用的傳輸線類型，具有耦合結構的DK電路可以通過資料的各向異性來改變，電路的效能取決於DK在電路板資料上的方向。 一般來說，PCB的各向異性隨電路板資料的厚度和工作頻率而變化，Dk值較低的資料各向異性較小。 填充的增强資料也會導致這種變化：與沒有玻璃纖維增强的PCB相比，具有玻璃纖維增强資料的PCB通常具有更大的各向異性。 當DK是一個關鍵名額，PCB的DK是電路設計建模的一部分時，比較兩種資料之間的DK值應集中在沿同一軸方向的DK上。

電路的有效Dk取決於特定類型傳輸線中電磁波的傳播模式。 根據傳輸線的不同，一部分電磁波通過PCB的介電材料傳播，而另一部分則通過PCB周圍的空氣傳播。 空氣的Dk值（約1.00）低於任何PCB，囙此，有效Dk值基本上是由在傳輸線導體中傳播的電磁波、在介電材料中傳播的電磁場和在基板周圍的空氣中傳播的電波的組合效應確定的組合Dk值。 “Design Dk”試圖提供一個比“effective Dk”更實用的Dk，因為“Design Dk”同時考慮了不同傳輸線科技、製造方法、導體甚至量測Dk的測試方法的綜合影響。Design Dk是在電路形式的資料測試中選取的Dk值，也是電路設計和模擬中使用的最合適Dk值。 設計Dk不是電路的有效Dk，而是通過量測資料的有效Dk來確定的，設計Dk可以反映電路的真實效能。

對於特定的PCB，由於電路板不同區域的細微差异，其設計Dk值可能會有所不同。 例如，構成電路線的銅箔的厚度可能不均勻，這意味著設計Dk將在具有不同銅厚度的區域中變化，並且由這些導體形成的電路的Dk響應也將相應地變化。 銅箔導體表面的粗糙度也會影響設計Dk響應，較光滑的銅箔（如軋製銅）對設計Dk反應的影響比粗糙的銅箔小。

高頻PCB

不同厚度PCB電介質資料中導電銅箔的表面粗糙度對設計Dk的影響不同。基板較厚的資料通常受銅箔導體表面粗糙度的影響較小。 即使對於表面較粗糙的銅箔導體，其設計的Dk值也更接近基礎電路板資料的介電Dk。 例如，Rogers的6.6 mil RO4350B電路板資料在8至40GHz下的平均設計Dk值為3.96。 對於厚度為30密耳的RO4350B，在相同的頻率範圍內，設計的Dk降至平均3.68。 當RO4350B的厚度再次加倍（60密耳）時，設計Dk為3.66，這基本上是RO4350B固有的Dk。

從上述示例可以看出，較厚的介電基板受銅箔粗糙度的影響較小，設計的Dk值相對較低。 然而，如果使用較厚的電路板來生產和處理電路，特別是在訊號波長較小的毫米波頻率下，將更難保持訊號幅度和DK之間的一致性。高頻電路通常更適合使用較薄的電路板，此時資料的介電部分對設計DK和電路效能的影響較小。 較薄的PCB基板在訊號損耗和DK效能方面受導體的影響更大。 在毫米波頻率下，就電路資料的設計Dk而言，它們對導體特性（如銅箔表面粗糙度）的敏感性在較厚的基板上也更大。

在射頻/微波和毫米波頻率下，電路設計工程師主要使用幾種傳統的傳輸線科技，如微帶線、帶狀線和接地共面波導（GCPW）。 每種科技都有不同的設計方法、設計挑戰和相關優勢。 例如，GCPW電路耦合行為的差异將影響電路的設計Dk。 對於緊密耦合的GCPW電路和具有緊密間距的傳輸線，利用共面耦合區域之間的空氣可以實現更有效的電磁傳播並最大限度地减少損耗。 通過使用較厚的銅導體，耦合導體的側壁更高，並且在耦合區域中使用更多的空氣路徑可以最大限度地减少電路損耗。 然而，更重要的是瞭解减少銅導體厚度變化的相應效果。

許多因素會影響給定電路和電路板資料的設計Dk。 例如，電路板資料的溫度係數Dk（TCDk）用於量測工作溫度對設計Dk和效能的影響。 較低的TCDk值表示PCB資料對溫度的依賴性較小。 同樣，高相對濕度（RH）也會新增電路板資料的設計Dk，特別是對於具有高吸濕性的資料。 PCB的特性、PCB的制造技術以及工作環境中的不確定因素都會影響PCB資料的設計Dk。 只有瞭解這些特徵，並在設計過程中充分考慮這些因素，才能將其影響降至最低。