材料設計與高頻高速電路

 

刊登日期:2016/10/5
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隨著 IoT 與手機、平板及穿戴等行動智慧裝置的鏈結趨勢越發明確,可以認定高度整合與功能強化的匹配性封裝需求,將伴隨此一態勢而生。因應大量資通訊處理的問題,資料傳輸一定會繼續邁向高頻高速化,而高頻高速訊號傳輸要面臨的問題與解決方式卻不同於以往。

為了維持高速傳輸訊號傳輸的品質,必須在印刷電路板設計時,確保特性阻抗的整合匹配,並採取抑制訊號衰減的對策;而訊號衰減的控制所涉及的層面,除了傳輸電路與接收電路的設計之外,還有印刷電路板的結構與材料的選擇。本文將由電路材料設計與選擇的觀點,探究高頻高速電路的需求,同時導入電路製程與結構對訊號傳輸特性的影響。
 
高頻高速電路的需求
在資通訊電子市場持續發燒下,終端應用的多樣性是推升市場需求的要因之一。物聯網(IoT)觀念已成為未來電子產業萬流歸宗的主軸,所帶動包含雲與端二項,雲所代表的是大數據的服務;端則是指各種的行動與固定的電子裝置,這其中除了熟知的行動資通訊產品外,也將汽車、各式感測器件、娛樂視訊影音等包括在內,顛覆過去終端產品的範疇,開始有人用 IoE(Internet of Everything)來表示這樣的改變。

為了滿足雲與端二者在訊號傳輸速度與容量的增加,已符合整體資通訊電子產品必要的服務需求,將可預見高頻高速的訊號傳輸已成為現代電路設計與製造的一環。圖一是將各式終端應用產品其所服務時的操作頻率做一整理,可看出因應不同的功能需求,各式應用產品的使用頻率各不相同,但總體觀之,在現今強調功能整合、大流量及快速處理的目標下,高頻高速傳輸已成必要選項。我們以行動網路(5G通訊)與無線網路(Wi-Fi)大面向,來探討一下高頻高速電路的需求。




圖一、終端應用產品與其使用頻率的相互關係

 
電路板的設計與思考
既然高頻高速需求已經是越發重要,扮演著承載元件、電源供應、訊號傳輸、散熱功能的電路板,自然要有所對應。電路板要達到高頻高速化主要有二個路徑,一是高密度的配線,這其中包括微細的導線及間距、微小的導通孔、基板薄型化與高可靠的導通及可靠性。其主要的內涵是降低訊號傳輸的距離,但這卻會影響電路板製作的良率及增加設備資本的支出。

另一個路徑是採用高頻的材料,其中包括低介電材料的設計使用,來降低訊號傳輸的絕緣損失;選用低粗糙度銅箔導體,以降低訊號傳輸的導體損失,再搭配適當補強材的加入,來達成訊號高速傳輸的功能。這樣的路徑,可用現有製程設備及能力來達到,又可確保較高的製程良率,被認為是較佳的解決途徑。



圖二、高頻高速電路板與材料特性的關係

 
高頻介電材料的選擇與設計
在高頻GHz領域的高速訊號傳輸,必須面臨的課題就是訊號衰減,也就是訊號損失。只不過,以往訊號損失所在意的是導體損失,但到了高頻時代,在意的卻是介電損失,圖四說明了介電與導體損失與頻率的關係。所謂的介電損失,通常起因是訊號配線與接地線之間的寄生電容所累積電荷所引起的損失。介電損失、訊號反射或集膚效應(Skin Effect)都會與傳輸距離成正比。一般來說,抑制訊號衰減的對策有兩大類,第一種是藉由電路技術的補償方法;另一種是選擇使用較不容易造成訊號衰減的材料。
 
銅導體材料的選擇與設計
一般都使用銅(Copper)作為印刷電路板的材料,那銅是如何影響高頻信號的性能呢?下面舉一個例子說明。如圖五所示,使用微帶線,可以看出高頻信號在傳輸時,主要電場都在金屬導體及介電材料之間,以馬克斯威爾的高斯定律電場,始於正電荷,終於負電荷,所以……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
作者:金進興 / 達邁科技股份有限公司
★本文節錄自「工業材料雜誌」358期,更多資料請見下方附檔。


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