PCB损耗对比

1. 损耗类型

• 介质损耗：在电场作用下，绝缘材料由于介电传导和极化滞后而产生能量损失。部分信号的能量被PCB的基板吸收，类似于食物在微波炉中吸收电磁波。
• 导体损耗：当交流电流过导体时，会产生趋肤效应，使电流集中在导体表面附近的薄层上。高频电流的趋肤效应更严重，通常沿着导体表面流动，减少了有效截面积，增加了电阻。此外，铜箔的表面不是完全光滑的，细微的不规则增加了电流路径长度，进一步增加了串联电阻并导致额外的损耗。
• 辐射损耗：任何电线都可以等效作为天线，辐射一部分能量并导致信号衰减。
  

2. 影响损耗的因素

• 材料选择：
  
  • 基板材料：不同基板材料的介电常数（Dk）和损耗正切（Df）不同。一般来说，Dk和Df越低，插入损耗越小。例如，FR-4的介电常数为4.2-4.8，损耗正切为0.014-0.02，而Teflon的介电常数为2.55-2.94，损耗正切为0.001。
  • 铜箔类型：采用低粗糙度铜箔能显著降低信号传输损耗。例如，搭配HVLP铜箔时损耗值比HTE铜箔小12~16%，比RTF铜箔损耗值小4~12%。
  • 玻纤布类型：与E-glass相比，采用NE-glass后损耗值可降低4%~22%，且信号传输频率越高，NE-glass对损耗性能的改善越明显。
  • 阻焊油墨：覆盖阻焊油墨后外层线路损耗值增大约50%~70%，且信号频率越大，阻焊油墨对损耗的影响越大。与常规阻焊油墨相比，采用低损耗油墨可使外层线路的损耗值降低10%~20%左右。
    
• 工艺选择：
  
  • 背钻设计：通过背钻减少过孔的残桩长度，可以显著减少信号反射对于损耗测试的干扰，改善内层线路的损耗性能。
  • 表面处理工艺：不同表面处理工艺对PCB损耗影响不同。沉金工艺后损耗值最大，沉银工艺最小。在10 GHz和20 GHz时，沉金处理后损耗值分别增加19.32%和25.07%，而沉银处理后损耗值分别增加2.12%和0.96%。
    
• 设计优化：
  
  • 缩短走线长度：PCB的走线长度越短，插入损耗越小。
  • 减少过孔数量：减少过孔数量可以减少信号反射和损耗。
    

3. 测量方法

• 频域法：使用矢量网络分析仪（VNA）测量传输线的S参数，直接读取插入损耗值。频域法测量准确度的差异主要来自校准方式，常见的校准方式包括SLOT、Multi-Line TRL和Ecal。
• 时域法：使用时域反射计（TDR）或时域传输计（TDT）测量信号在传输线中的传播特性。
  

4. 实验对比

• 材料对比：
  
  • FR-4 vs Teflon：Teflon材质的PCB板的插入损耗低于FR-4材料。例如，在3GHz频率下，FR-4材料的插入损耗为1.4dB，而Teflon材料的插入损耗更低。
  • 不同等级材料：按损耗因子的高低，基板材料可分为五个等级：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）和Ultra Low Loss（Df：＜0.003）。Df越小，介质损耗就越少。
    
• 工艺对比：
  
  • 铜箔粗糙度：采用低粗糙度药水处理后的损耗值比传统粗化药水低5%左右，且PCB的可靠性满足要求。
  • 表面处理工艺：沉银工艺对微带线损耗影响最小，而沉金工艺对微带线的信号损耗影响最大。
    

5. 结论

• 基板材料的选择对PCB的损耗影响极大，在不同传输频率下，不同等级材料之间的插入损耗值差异在15~30%左右。
• 采用低粗糙度铜箔能显著降低信号传输损耗。
• 与E-glass相比，采用NE-glass后损耗值可降低4%~22%，且信号传输频率越高，NE-glass对损耗性能的改善越明显。
• 覆盖阻焊油墨后外层线路损耗值增大约50%~70%，且信号频率越大，阻焊油墨对损耗的影响越大。与常规阻焊油墨相比，采用低损耗油墨可使外层线路的损耗值降低10%~20%左右。
• 采用低粗糙度药水处理后的损耗值比传统粗化药水低5%左右，且PCB的可靠性满足要求。