隨著數(shù)字系統(tǒng)的高速化發(fā)展，以前被認為微不足道的傳輸線損耗問題，現(xiàn)正在成為PCB設(shè)計的首要關(guān)注點。在時鐘頻率高于1GHz時，頻率相關(guān)性傳輸損耗的影響已經(jīng)實實在在發(fā)生了，特別是高速 SerDes 接口，信號具有非?？斓纳仙龝r間，數(shù)字信號可以攜帶比自身重復頻率更高頻的能量，這些較高的高頻能量成分，用來構(gòu)造理想的快速轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號。今天的高速串行總線，在時鐘速率的第 5 次諧波上往往有大量的能量集中。
現(xiàn)在有許多高速數(shù)字應(yīng)用，速度為10 Gbit/s或更高。 這些應(yīng)用使用5 GHz的基頻和15 GHz，25 GHz等的諧波。在此頻率范圍內(nèi)，大多數(shù)常見的PCB材料在介質(zhì)損耗（Df）方面會有非常顯著的差異，并導致嚴重的信號完整性的問題。這是高速數(shù)字PCB使用專為高頻應(yīng)用而設(shè)計的特殊板材的原因之一。 這些材料的配方具有低損耗因數(shù)，在很寬的頻率范圍內(nèi)具有最小的變化。 這些板材過去常用于高頻RF應(yīng)用，甚至現(xiàn)在用于77 GHz及更高的應(yīng)用。 除了介質(zhì)損耗因素的改進外，這些板材還配有嚴格的厚度控制和Dk控制，更佳有利于保障信號完整性。
2019臺北電腦展上AMD發(fā)布第三代Ryzen銳龍?zhí)幚砥鞯那闆r，AMD采用7納米的CPU除了在性能上開始壓制英特爾之外，其配套的X570 芯片組也引入了對 PCIe 4.0 的支持，采用PCIe 4.0 NVMe的SSD也開始陸續(xù)推向市場，而預計兩年后，PCIe 5.0規(guī)范也將發(fā)布。
PCIe 5.0 的數(shù)據(jù)速率將達到恐怖的 32GT/s，從而加重頻率相關(guān)的插入損耗。選擇的 PCB 材料會對各個區(qū)域的插入損耗產(chǎn)生巨大影響。
如果在設(shè)計PCB時不考慮板材對高速信號的影響，老司機也會翻車！
選擇PCB板材時必須在滿足PCB設(shè)計需求、可量產(chǎn)性、成本中間取得平衡點。簡單而言，設(shè)計需求包含電氣和結(jié)構(gòu)可靠性這兩部分。通常在設(shè)計非常高速的PCB板子（大于GHz的頻率）時板材問題才會比較重要。例如，現(xiàn)在常用的FR-4材質(zhì)，在幾個GHz的頻率時的介質(zhì)損耗Df（Dielectricloss）會很大，可能就不適用。
高速數(shù)字電路運行速度是PCB選擇考慮的主要因素，電路的速率越高，所選PCB的Df值就應(yīng)該越小。具有中，低損耗的電路板材將適合10Gb/S的數(shù)字電路;具有更低損耗的板材適用25Gb/s的數(shù)字電路;具有超低損耗板材將適應(yīng)更快的高速數(shù)字電路，其速率可以為50Gb/s或者更高。
從材料Df看：
Df介于0.01～0.005電路板材適合上限為10Gb/S數(shù)字電路;
Df介于0.005～0.003電路板材適合上限為25Gb/S數(shù)字電路;
Df不超過0.0015的電路板材適合50Gb/S甚至更高速數(shù)字電路。
常用的高速板材有：
1）、羅杰斯Rogers：RO4003、RO3003、RO4350、RO5880等
2）、臺耀TUC:Tuc862、872SLK、883、933等
3）、松下Panasonic：Megtron4、Megtron6等
4）、Isola：FR408HR、IS620、IS680等
5）、Nelco：N4000-13、N4000-13EPSI等
6）、東莞生益、泰州旺靈、泰興微波等
對于高速PCB而言，在設(shè)計時需要考量材料的選擇及設(shè)計等是否滿足信號完整性要求，這就要求盡量減小信號的傳輸損耗。
PCB傳輸損耗主要由介質(zhì)損耗、導體損耗和輻射損耗三部分組成。
當高頻信號在 PCB 上從驅(qū)動器沿較長的傳輸線傳輸?shù)浇邮掌鲿r，介質(zhì)材料的損耗因數(shù)對信號的影響非常大。較大的損耗因數(shù)意味著較高的介質(zhì)吸收。損耗因數(shù)較大的材料會影響長傳輸線上的高頻信號。介質(zhì)吸收增大了高頻衰減。
PCB 最常用的介質(zhì)材料是 FR-4，它采用了環(huán)氧樹脂玻璃疊層，可滿足多種工藝條件要求。FR-4 的 εr 在 4.1 和 4.5 之間。GETEK 是另一種可以用于高速電路板的材料。GETEK 由環(huán)氧樹脂(聚苯醚)構(gòu)成，εr 在 3.6 和 4.2 之間。
導體損耗
電荷流過材料導致能量損耗。外層微帶線和內(nèi)層帶狀線的導體損耗都可以細分為2個部分：直流和交流損耗。這里說的直流電是低于1MHz的電路。雖然直流損耗一般不適用于高速電路設(shè)計，但電阻下降會侵占多點系統(tǒng)（如SODIMM DDR3/4的地址、命令控制總線布線）的邏輯電平和噪聲容限。然而，板載內(nèi)存通常信號線長度都小于3英寸，正因如此，沒有凸顯這個問題。
一個典型的5 mil寬、1.4 mil厚（1oz銅）、1英寸長的線路，通上直流電時信號通道的電阻通常是0.1歐姆/英寸。銅和大多數(shù)其他金屬的體電阻率在頻率接近100 GHz以前是恒定的。不管怎樣，正是因為趨膚效應(yīng)，引發(fā)了導體的頻率相關(guān)性，如圖2所示。
交流電，因其頻率相關(guān)性，導體損耗呈電阻性或電感性。低頻時，我們認為電阻和電感同于直流電，但隨著頻率的增加，在傳輸線和基準面上的截面電流分布變得不均勻，并移動到導體的外部。由于趨膚效應(yīng)，電流被迫進入銅的外表面，從而大大增加了損耗。電流的重新分布使電阻增大、每單位長度的線圈電感減小。隨著頻率增加到超過1GHz時，電阻不斷增加，線圈電感量達到一個極限值，成為外電感。頻率越高，電流在導體外表面流動的趨勢就越大。交流電阻將保持與直流電阻大約相等，直到頻率升高到某一個點，即趨膚深度小于導體厚度時。
深圳宏力捷電子可提供多層、高速PCB設(shè)計（PCB layout設(shè)計）服務(wù)，有相關(guān)需求的朋友，可以聯(lián)系深圳宏力捷電子！
深圳宏力捷推薦服務(wù)：PCB設(shè)計打樣 | PCB抄板打樣 | PCB打樣&批量生產(chǎn) | PCBA代工代料
簡體中文
English
