你印刷电路板设计感到厌烦吗

为运营商提供下一代卫星服务所需的性能正在扩展用于制造空间级PCB的传统材料的能力。 Ka波段，RF载波，宽带ADC/DAC，噪声开关稳压器，包含多千兆位，高速串行链路的低压大电流FPGA，以及1 GHz左右的I/O切换，现在都位于相同的PCB仅隔开几厘米。电介质的选择现在必须优化RF，模拟和数字要求。

航天器航空电子设备制造商正在考虑具有较低相对介电常数(Er或Dk)和耗散因数(Df)的新PCB材料，以实现将使卫星运营商的未来任务成为可能对于某些设计，仔细的布局规划和元件布局将使OEM能够使用现有的低成本材料和更低成本的制造来满足目标要求。

在较低的频率和数据速率下，信号损耗主要是由阻抗不匹配引起的。电介质吸收和导体损耗较少。在较高频率下，材料损耗变得同等重要，并且在设计过程中必须考虑受控的基板构造。

在更高频率(和更快的边缘)处，由于特征阻抗(Z0)的变化，介电材料对某些信号能量的吸收以及由趋肤效应和铜表面粗糙度引起的电阻性沟道损耗而发生损耗。反射是由阻抗不连续性引起的，Z0的变化是由层压板厚度的差异，基板的介电常数的变化以及蚀刻迹线的宽度中的制造公差引起的。

几乎所有PCB基板的介电常数(Er/Dk)随频率而降低，这表现在两个方面：信号速度增加，传输线的特征阻抗变小。前者在带宽丰富的数字信号中产生相位失真，而Z0的变化导致更快的边缘反射比慢的边缘更多。边缘包含谐波，其振幅可达0.35/T，其中T是ns中上升或下降时间的较小值。

在电介质中，玻璃纤维编织图案和增强材料与树脂的比例导致局部Er/Dk的变化。玻璃和环氧树脂各自具有不同的相对介电常数，从而呈现出用于信号传播的非均匀介质。

编织网越紧密，介电常数越均匀。松散的编织导致层压板内的更多变化，导致紧密匹配的信号(例如差分对)中的迹线阻抗和传播偏斜的变化，其直接参考编织。一些模式如下所示。

图1不同类型的玻璃纤维编织会影响介电常数，走线阻抗，传播偏斜。

例如，在玻璃样式106这样的稀疏编织中，可以对差分对的一条腿进行布线直接在光纤上，而另一条腿在编织之间布线，如图2所示。这导致差分通道的每个支路具有不同的Er/Dk，这在两个迹线之间引入偏斜并且取决于数据速率，可以影响影响在接收器处看到的眼睛质量的单位间隔(UI)。 br>

图2在稀疏编织中，差分对的一条腿可以直接在光纤上布线，而另一条腿在编织之间布线。图片由Isola提供。

当元件焊料流到PCB上并且电路板经受温度循环时，或者需要航空电子设备在高温下工作的任务时，设计师必须意识到玻璃化转变温度(Tg)。这是当材料中的树脂开始膨胀比周围玻璃编织物和铜的膨胀快得多时，可能导致Z方向的体积增长。在极端情况下，所产生的应力会破坏通孔并导致分层。材料的热膨胀系数(CTE)行为可能会在Tg以上急剧变化，变得机械和电气不稳定。

温度也会影响PCB的电气性能，因为Er随温度的变化而变化，由一个称为温度的函数定义介电常数的热系数。 Z0不仅由基板材料的厚度确定，而且由Dk确定，并且由于温度引起的z轴CTE和Er的变化可以显着影响在该材料上制造的传输线的阻抗。

与传统的空间级PCB材料相比，最新的倒装芯片封装具有较低的CTE，这种不匹配给OEM带来了一些制造挑战。低功耗，高电流FPGA需要仔细的热管理和较重的铜或使用铜殷铜，铜钼铜，铝和碳复合材料来平衡导热性和CTE。 PCB材料的导热性可用作层压板散热效果的相对指标。

Isola的Tachyon 100G和I-Tera MT材料为未来的空间应用提供了潜力，罗杰斯公司也有一些有趣的预浸料。 Isola专门开发了GigaSync和Chronon层压板，以解决高速PCB设计问题。下表对航天工业目前正在使用或考虑的一些电介质进行了比较。

对于注重成本的子系统，仔细的布局规划和布局技术可以避免使用更昂贵的材料和PCB制造。将元件放在一起可以最大限度地减少走线长度和耗散损耗，而锯齿形或慢速布线可以减轻光纤编织的影响，因为迹线会反复布线和断开编织，如下所示。

图3Zig-zag和慢跑路由可以减轻纤维编织的影响。

对于希望利用高速串行链路优势的成本敏感型子系统，使用预加重和均衡将弥补一些信道损耗。对于某些应用，这将允许使用传统的，更便宜的FR4基板或中等性能材料进行PCB制造。

为了经济高效地提供未来的卫星子系统，设计人员必须了解影响信号损失，信号完整性的材料特性，以及PCB可制造性，以便在预算范围内提供所需的任务性能。