PCB材料与走线
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前言
在系统设计过程中，无论是选择PCB材料还是电缆类型作为传输介质，都将对系统的整体性能产生举足轻重的影响。当频率达到吉赫兹级别时，任何传输介质都难以避免地会经历一定程度的信号损耗。本文旨在帮助读者有效解决这些信号衰减问题，从而确保为特定应用场景实现最佳的性能表现。这些策略不仅有助于减少信号损失，还能提升系统的整体效率和可靠性。
介电损耗
介电损耗
信号能量在介电质中损失的量是材料特性的函数。用于描述材料的参数包括相对介电常数εr（也称为介电常数）和损耗角正切。在吉赫兹范围内的线路速度下，趋肤效应也是能量损失的一个因素。
相对介电常数
相对介电常数是评估介电质如何影响导体电容的关键指标。通常较高的相对介电常数会导致信号在走线上的传播速度减慢，同时对于给定的走线几何形状，其阻抗会降低。因此，在多数应用场景中，倾向于选择具有较低εr的材料。所有材料的相对介电常数都会随着频率的变化而变化，但这一变化在FR4这类常见PCB板材料中尤为显著。由于εr直接影响走线的阻抗，所以随着信号频率的增加，FR4走线的阻抗值可能会发生显著变化。在较低速率（如1.125 Gb/s）下，这种影响可能不明显，但在高速率（如10 Gb/s）时，它可能成为一个不可忽视的问题。
基板材料的选择应基于高速走线的总长度和预期的信号速率。通过HSPICE等仿真工具进行假设分析，可以评估不同基板材料对信号完整性的影响，包括改变介电常数、损耗角正切等参数对眼图质量的模拟。这些仿真分析有助于证明在特定应用中使用更高成本材料的合理性和必要性，并可能进一步探讨其他设计参数（如铜厚）的优化空间。
损耗角正切
损耗角正切反映电磁波在传输线上电磁能量损失至介电质的程度，低值意味着能量衰减小，信号衰减少。高频时，能量损失加剧，特别是高频谐波，导致信号边沿退化。趋肤效应使电流集中于导体表面，随频率增电阻增，加剧电阻损耗，影响与损耗角正切相似，高频谐波尤甚。例如，10 Gb/s信号下FR4基频同样受衰减。基板材料选择需平衡性能与成本，FR4适合多数应用，但高频需考虑陶瓷、PTFE、LCP等高性能材料，以满足信号速率、传输距离、成本及可制造性要求。
走线几何结构
走线特征阻抗由堆叠与自身几何结构决定，差分走线还受紧密耦合对间电感和电容耦合影响。阻抗受周围导体耦合影响，包括平面、过孔等。基板、导体属性及距离决定耦合量，进而影响阻抗。二维场求解器可解决复杂交互并计算阻抗，也用于验证几何结构。宽走线减少电阻损耗，实现更严格阻抗控制。带状线因双侧屏蔽优于单侧屏蔽的微带线。建议使用二维或三维场求解器验证以获得最佳结果。
走线布局
为了避免潜在的噪声干扰，高速走线应避免与其他走线或噪声源靠近布局。在相邻信号平面上，走线应采用垂直排列策略，以最大限度减少串扰问题。
在条件允许的情况下，优先选用带状线布局，特别是最顶层和最底层的带状线层，这样可以有效减少过孔残端的影响。在堆叠规划时，应将这些层尽可能地置于顶层和底层附近。
设计约束有时可能要求使用微带线，例如在BGA出口路径或从过孔到连接器发射点、SMT焊盘的连接中。在这些情况下，微带线走线必须保持尽可能短的距离。
推荐使用斜角45度的弯曲设计（而非90度弯曲），因为90度弯曲会导致走线有效宽度变化，进而因附加导体区域与参考平面的电容耦合而产生阻抗不连续现象。
此外，差分对中的两条走线必须实现长度匹配，以消除偏斜现象。偏斜会导致共模中的不匹配，进而降低差分信号的电压摆幅，影响信号质量。
回流电流
跨平面分割布线可能会引发回流电流的问题，这是由趋肤效应所决定的，即高速信号倾向于在走线表面附近传播。同时回流电流也紧密耦合在参考平面的表面附近流动。在正常情况下，回流电流会沿着与信号走线平行的路径传播，以保持电流环的最小面积。
不过在平面分割处，这种平行的回流路径被打断，迫使回流电流寻找新的路径以绕过分割区域。这通常会导致次优的回流路径选择，进而增大电流环的面积。增大的电流环面积不仅增加了电磁辐射的风险，还会提高平面分割处走线的电感值，从而对走线的阻抗特性产生不利影响。
因此在进行PCB设计时，需尽量避免不必要的平面分割，以减少对回流电流路径的干扰，确保信号传输的稳定性和可靠性。如果必须进行平面分割，则应采取适当的措施来优化回流路径，如增加过孔来提供低阻抗的回流通道，或者通过调整分割区域的大小和形状来减少对回流电流的影响。
