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| 24III-T34 2024-EBU-(张闵期博士) 高频材料分析方法与自动化建模工具.pdf |
高频材料分析方法与自动化建模工具 |
2024-11-05 15:27:16 2024-11-05 15:37:11 |
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高频材料分析方法与自动化建模工具
2024.11.055G 技术发展将开启更多新领域的应用及挑战，无论是载应用、物联网与5G 相关基础设施布建，皆把设计目标放在更高速、高频、稳定及可靠的资料传输上。随着这些技术成熟，目前各项产品的设计与需求也让 PCB 电路板及材料产业带来更多商机。无论软板或硬板对于材料分析的导入已成必然。因此，具有低介电与低传输损失介电材料的选用，将是未来各材料厂商与PCB板厂竞争的必要条件。图1为目前各大5G 应用衍生对于 PCB 板设计需求。
图1、5G 技术衍生之需求
在高频 PCB 设计中，高频电磁材料的选择对于电路板的电性特性具有决定性作用。高频材料具有更低的介电常数和损耗角正切，能够减少信号在高速传输中的损耗。然而，随着频率的提高，高频材料的特性变化会直接影响电磁特性，尤其在考量表面粗糙度及玻璃编织材料的建模方面，需要采取精确的仿真技术来有效评估这些因素的影响。本文将介绍 Ansys HFSS 的高频电磁仿真解决方案，并聚焦于表面粗糙度和玻璃编织材料在高频情况下对于 PCB 电性影响的分析，进一步阐述自动化仿真流程 PyAnsys 在加速设计方面的应用。
高频电磁材料在PCB中的使用旨在提高信号传输效率并降低电磁干扰（EMI）。不同材料的介电常数（Dk）和损耗角正切（Df）会直接影响信号的传播速度和损耗。较高的 Dk 会减慢信号的传播速度，而较高的 Df 会导致更多的能量损失。当频率越高时，传输线上的损耗增大，这将导致信号衰减及传输效率降低，因此，选择具有合适电磁特性的材料至关重要。
然而，在高频的影响下，材料在制程上变异会严重影响电磁特性分析的结果，例如一般材料厂商仅能提供1 GHz 下材料特性，但当40 GHz 时材料电磁特性无论 Dk 或 Df 皆已与1 GHz 有着巨大的差异。此外，PCB 板的电磁特性并非仅仅受材料影响，几何结构变异因素也会对其产生显着的影响。在高频设计中，微观结构，如导体表面粗糙度和玻璃编织材料的均匀性，对于信号完整性和EMI控制具有不可忽视的作用。以下将透过 Ansys HFSS 深入分析与探讨来避免这些因素对高频下 PCB 电性特性的影响。
针对高频材料在制程上的变异对于电磁仿真的影响，我们把其影响分成三大部分，分别为材料特性频率相依、表面粗糙度与玻璃编织材料分析。Ansys HFSS 针对这些特性有其对应的分析与调整方法：
1. 材料特性频率相依:
过去对于电性传输的描述及材料特性的表现，都会很单纯的定义材料特性，过去可能使用的介电常数（相对介电常数的实部，介电常数，D k）与介质损耗（损耗角正切，虚部与实部之比，D f）都是常数，不会随频率而变动。然而专业的板厂会提供更明确的量测数据如上图2为例，在1GHz 时所测量之数值，也反映出在不同频率点下的 D k、D f 会有所变动，也说明了两项参数是会随频率变化的，在这过程中，材料伴随着 PCB 是不可或缺的，若没有考虑随频率变化的材料特性，那电特性的表现也就会与实测结果有些落差，在设计初期有着更加完整的数据对开发及研发来说都是非常重要的一环。
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