引言

2025年，全球PCB市場正迎來一波強(qiáng)勁的“牛市”，全球總產(chǎn)值已達(dá)830億美金，而其中中國市場獨(dú)占鰲頭，拿下了將近57.2%的份額。

但隨著大模型服務(wù)器、6G通信對傳輸?shù)囊笙?12Gbps甚至更高的速率邁進(jìn)，“高頻高速”已成為PCB行業(yè)的必爭之地。與之一同到來的是更嚴(yán)苛的材料Dk/Df控制，更復(fù)雜的阻抗匹配，以及更棘手的信號(hào)完整性挑戰(zhàn)。在這個(gè)機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存的時(shí)刻，一塊完美的高頻高速PCB究竟是如何“煉”成的？

本期文章將為您系統(tǒng)拆解從仿真、材料驗(yàn)證、研發(fā)到量產(chǎn)測試的全流程測試方案。

一、什么是高頻高速 PCB ？

1.1 技術(shù)定義與核心參數(shù)

通常來說，高頻 PCB 通常指工作頻率≥1GMHz 的印制電路板，廣泛應(yīng)用于 GHz 甚至毫米波頻段。而高速 PCB 則是指信號(hào)速率≥10Gbps 的數(shù)字電路，主要用于傳輸高速數(shù)字信號(hào)如 PCIe 5.0/6.0、DDR5/6 等。

高頻高速 PCB 的核心技術(shù)指標(biāo)主要表現(xiàn)在材料特性和電氣性能兩個(gè)方面：

在材料特性方面

介電常數(shù)(Dk)和介質(zhì)損耗因子(Df)是最關(guān)鍵的參數(shù)。理想的高頻高速PCB基材要求Dk值在2.0-4.5范圍內(nèi)，且批次間偏差需≤±0.1，溫度變化(-40℃-125℃)導(dǎo)致的Dk波動(dòng)需≤5%。Df值的要求更為嚴(yán)格，高頻場景下需≤0.005(1GHz時(shí))，28GHz毫米波場景下需≤0.002。

在電氣性能方面

特性阻抗是傳輸線最核心的參數(shù)之一，常見的目標(biāo)阻抗值為50Ω、75Ω(單端)和100Ω(差分)，高頻場景下阻抗控制精度需達(dá)到±5%以內(nèi)，甚至更嚴(yán)格。阻抗匹配的重要性在于信號(hào)能量可以最大化地從源傳輸?shù)截?fù)載，減少信號(hào)反射和損耗。

1.2 高頻高速PCB的分類

高頻高速 PCB 的分類體系可以從多個(gè)維度進(jìn)行劃分，包括基材類型、應(yīng)用頻率、數(shù)據(jù)傳輸速率等。

根據(jù)基材類型主要分為三大類：氟化物類基材（PTFE 為主）、改性 FR-4 類基材和陶瓷復(fù)合類基材。除了這些外類別外，也有一些基于其它特殊基材混合的PCB板。

從應(yīng)用頻率角度，高頻高速 PCB 主要可分為：常規(guī)高頻板（1-10GHz）、超高頻板（10-30GHz）和毫米波板（>30GHz ）。

從信號(hào)傳輸速率角度，高頻高速 PCB 還可以分為：高速板（10-25Gbps）和超高速板（25Gbps 以上）。

二、高頻高速 PCB 技術(shù)發(fā)展趨勢

高頻高速 PCB 技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)出明顯的升級(jí)趨勢，主要體現(xiàn)在材料技術(shù)、制造工藝和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)三個(gè)方面。

01在材料技術(shù)方面

行業(yè)正向更高性能的材料體系演進(jìn)。具體表現(xiàn)為：銅箔向 HVLP（超低輪廓銅箔）系列升級(jí)，滿足 AI 服務(wù)器低信號(hào)損耗需求；樹脂向低介電損耗類型發(fā)展，包括碳?xì)錁渲?、聚苯醚（PPO）、聚四氟乙烯（PTFE）等，其中 PTFE 樹脂預(yù)計(jì) 2025 年在 AI 服務(wù)器中需求約 476 噸；玻纖布中低介電常數(shù)和石英布因應(yīng)高速通信需求快速增長；硅微粉作為高性能填料，2024 年中國需求量 41.8 萬噸，預(yù)計(jì) 2025 年達(dá) 47.3 萬噸，增長 13.2%。

02在制造工藝方面

PCB 正向高密度、高頻高速演進(jìn)。技術(shù)指標(biāo)不斷提升：線寬精度向≤20μm 突破，覆銅板從 M6/M7 向 M8/M9 升級(jí)，技術(shù)壁壘持續(xù)提升。例如，某國內(nèi)頭部PCB廠商率先引入低損耗材料，結(jié)合盲埋孔技術(shù)實(shí)現(xiàn) PCB 信號(hào)傳輸速率達(dá) 112Gbps，適配 800G、1.6T 光模塊需求。

03在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面

高端產(chǎn)品占比持續(xù)提升。高多層板、HDI、類載板、封裝基板四大高端品類合計(jì)增速 18.8%，遠(yuǎn)高于行業(yè)平均水平。根據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測，2026 年全球高多層 / HDI 新增有效產(chǎn)能將比 2023年增長42%。這種產(chǎn)能結(jié)構(gòu)的優(yōu)化反映了行業(yè)向高端化發(fā)展的趨勢。

三、高頻高速 PCB 的測試

3.1 測試內(nèi)容

高頻高速 PCB 的電氣特性測試是確保產(chǎn)品質(zhì)量和性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其測試內(nèi)容體系涵蓋了從基本電氣參數(shù)到復(fù)雜信號(hào)完整性的多個(gè)維度。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際應(yīng)用需求，主要測試內(nèi)容包括信號(hào)完整性測試和高頻特性測試兩大類。

信號(hào)完整性測試是高頻高速 PCB 測試的重要環(huán)節(jié)，因?yàn)槠渲苯佑绊懥私K端產(chǎn)品的性能，主要包括以下項(xiàng)目：時(shí)域反射（TDR）測試，用于測量傳輸線阻抗和阻抗不連續(xù)性；時(shí)域傳輸（TDT）測試，分析信號(hào)在傳輸線中的衰減和時(shí)延；眼圖測試和抖動(dòng)測試，包括隨機(jī)抖動(dòng)和確定性抖動(dòng)。

在阻抗測試方面，需要特別關(guān)注特性阻抗的控制精度。特性阻抗的典型要求為 50Ω 或 75Ω（單端）、100Ω（差分），公差要求 ±5%，頻率響應(yīng)平坦度 ±2%。對于高速場景（如 32GT/s 以上信號(hào)），優(yōu)先選擇帶寬≥20GHz 的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA），搭配差分探頭（如 Keysight N1021B）可實(shí)現(xiàn) ±1% 的阻抗精度。

高頻特性測試則專注于射頻性能評(píng)估，主要包括：S 參數(shù)測試（10MHz-110GHz甚至更高），如S11和S21的測試，插入損耗和回波損耗都是PCB重要的性能指標(biāo)；相位噪聲測試，要求在 10kHz 頻偏處≤-100dBc/Hz。這些指標(biāo)直接反映了 PCB 在高頻應(yīng)用中的性能表現(xiàn)。

除了上述主要測試項(xiàng)目，還包括一些輔助性測試內(nèi)容：差分信號(hào)測試，包括 FEXT（遠(yuǎn)端串?dāng)_）、NEXT（近端串?dāng)_）、PS_Crosstalk（功率和串?dāng)_）、ICR（同向串?dāng)_抑制比）、ICN（同向串?dāng)_噪聲）等參數(shù)；時(shí)序參數(shù)測試，包括 Jitter（抖動(dòng)）、差分對延時(shí)等；材料參數(shù)測試，包括介電常數(shù)（Dk）/ 介質(zhì)損耗（Df）等。

3.2 測試的挑戰(zhàn)

高頻高速 PCB 測試面臨著諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)源于材料特性、測試準(zhǔn)確度、校準(zhǔn)和成本控制等多個(gè)方面。

材料特性的測量和控制是首要挑戰(zhàn)。高頻高速 PCB 對材料的介電常數(shù)（Dk）和介質(zhì)損耗（Df）要求極為嚴(yán)格，不僅要求數(shù)值低，更要求在溫度、頻率變化時(shí)保持穩(wěn)定。然而，這些參數(shù)的測量本身就存在很大難度。例如，Dk 值的批次間偏差需控制在≤±0.1，溫度變化（-40℃-125℃）導(dǎo)致的 Dk 波動(dòng)需≤5%。同時(shí)，不同批次材料的特性差異、加工過程中材料特性的變化等都增加了測試的復(fù)雜性。

高頻信號(hào)完整性測試是另一個(gè)重要挑戰(zhàn)。在 10GHz 以上頻段，材料的介電損耗（Df）和導(dǎo)體損耗導(dǎo)致信號(hào)衰減加劇；阻抗允許誤差要求更嚴(yán)苛，需要達(dá)到 ±5% 甚至更嚴(yán)格的容差要求；高密度布局和差分信號(hào)對間的電磁耦合導(dǎo)致串?dāng)_嚴(yán)重，影響信號(hào)準(zhǔn)確性。特別是在毫米波頻段（28GHz 以上），這些問題更加突出，對測試設(shè)備的性能和測試方法的精度提出了極高要求。

校準(zhǔn)是確保測試準(zhǔn)確性的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。高頻測試對環(huán)境因素極為敏感，溫度變化、電磁干擾、機(jī)械振動(dòng)等都會(huì)影響測試結(jié)果。例如，溫度穩(wěn)定性要求達(dá)到 ±0.01dB/°C，這對測試環(huán)境的恒溫控制提出了很高要求。同時(shí)，測試設(shè)備的校準(zhǔn)也面臨挑戰(zhàn)，特別是在高頻段，校準(zhǔn)件的精度、校準(zhǔn)方法的選擇等都直接影響測試結(jié)果的可靠性。

成本控制和量產(chǎn)測試的效率問題在工業(yè)化生產(chǎn)中尤為重要。傳統(tǒng)的人工測試方法效率低下，難以滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需求。例如，傳統(tǒng)的測試方法可能需要 30 分鐘 / 塊，而采用自動(dòng)化測試系統(tǒng)可以縮短至 5 分鐘 / 塊。但是，建立自動(dòng)化測試系統(tǒng)需要大量的前期投入，如何在測試精度、測試效率和成本控制之間找到平衡，是 PCB 制造商面臨的現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)。

為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，行業(yè)正在發(fā)展多種創(chuàng)新解決方案：采用三維電磁仿真與測試數(shù)據(jù)比對技術(shù)，通過模型校準(zhǔn)提高仿真精度，減少物理測試次數(shù)；引入機(jī)器學(xué)習(xí)算法，基于歷史測試數(shù)據(jù)預(yù)測 PCB 性能；對于毫米波 PCB，采用近場掃描技術(shù)，可視化電磁場分布，精確定位阻抗異常點(diǎn)等。

四、是德科技的高頻高速 PCB 解決方案

4.1 高頻高速PCB材料測試

“設(shè)計(jì)未動(dòng)，材料先行”，高頻高速PCB性能和產(chǎn)品的性能，最終決定于PCB本身使用的材料，樹脂，玻纖和銅箔以及其它各種輔料。這些材料參數(shù)的準(zhǔn)確數(shù)值對于確保高頻高速 PCB 的性能至關(guān)重要。Keysight的網(wǎng)絡(luò)分析儀配合專用的測試夾具和軟件，能夠在寬頻率范圍內(nèi)（110GHz甚至更高）精確測量 PCB 材料的介電常數(shù)（Dk）和介質(zhì)損耗（Df）。

Keysight與合作伙伴共同提供的110G高頻材料測試系統(tǒng)

4.2高頻高速 PCB 特性仿真

?ZA0129AS PCB仿真軟件針對10Gbps 以上高速通道傳輸中的阻抗和損耗控制而設(shè)計(jì)，即使在數(shù)十層的高度疊層設(shè)計(jì)中也能精確預(yù)測 PCB 阻抗和插損特性。它包括一個(gè)綜合材料數(shù)據(jù)庫、疊層設(shè)計(jì)工具和阻抗 / 插入損耗計(jì)算器，所有功能都集成在一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)中。使用該軟件，可以在幾分鐘內(nèi)搞定阻抗和損耗的精確計(jì)算，避免了耗時(shí)的原型制作和比較，減少了重復(fù)試錯(cuò)的次數(shù)，幫助企業(yè)選擇合適的材料從而降低成本。目前已經(jīng)被很多PCB廠家作為量產(chǎn)前PCB特性的仿真工具。

精準(zhǔn)高效的高頻高速PCB阻抗與損耗仿真ZA0129AS軟件界面，支持多個(gè)廠家的材料庫

?先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)（Advanced Design System，ADS）

除了ZA0129AS以外，是德科技還提供ADS高速電路仿真設(shè)計(jì)平臺(tái)，該平臺(tái)提供了完整的信號(hào)與電源完整性仿真解決方案。ADS 軟件的獨(dú)特優(yōu)勢在于其協(xié)同仿真能力。通過PCB和單個(gè)元器件協(xié)同仿真，可以分析完整的芯片間鏈路，包括通道、電路或物理層。這種方法能夠在設(shè)計(jì)早期發(fā)現(xiàn)潛在問題，避免后期的反復(fù)修改，是產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)工程師的必備工具。

4.3 高頻高速PCB 性能研發(fā)與驗(yàn)證測試

前面已經(jīng)提到，高頻高速PCB的特性阻抗與損耗，信號(hào)完整性（SI）與電源完整性（PI）等都是在研發(fā)過程中要重點(diǎn)測試的項(xiàng)目。是德科技提供了一系列高性能網(wǎng)絡(luò)分析儀，專門針對高頻高速 PCB 測試需求進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。是德科技的網(wǎng)絡(luò)分析儀可以通過加載TDR選件，具備強(qiáng)大的時(shí)域分析功能，將頻域測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為時(shí)域波形，實(shí)現(xiàn)對阻抗不連續(xù)性的精確定位。這種時(shí)域 - 頻域聯(lián)合分析能力已經(jīng)成為診斷高速 PCB 的信號(hào)完整性問題的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

除了利用網(wǎng)分產(chǎn)品測試PCB無源特性之外，研發(fā)過程中還會(huì)使用示波器對PCB在有源狀態(tài)下做驗(yàn)證。是德科技的V系列，Z系列以及UXR高端示波器及各種探頭，是各種高頻高速PCB及產(chǎn)品性能測試的強(qiáng)大工具。

4.4 高頻高速PCB產(chǎn)線測試方案

在生產(chǎn)線上，各個(gè)廠家會(huì)根據(jù)自己的產(chǎn)品良率采用不同的測試方法和策略，如產(chǎn)品良率較高，可能會(huì)采取抽樣測試；產(chǎn)品良率較低，可能會(huì)采用全測的策略。無論是什么樣的測試策略，能夠提高測試效率的自動(dòng)化測試已經(jīng)成為一個(gè)趨勢，是德科技根據(jù)廠家的不同策略提供相匹配的測試方案。

基于N5227A的單層PCB手動(dòng)測試 基于N5227A及開關(guān)矩陣的多層PCB自動(dòng)化測試

小結(jié)

全球PCB 市場尤其是中國市場呈現(xiàn)強(qiáng)勁增長態(tài)勢，高頻高速 PCB 作為技術(shù)發(fā)展方向，向更高性能材料、更精密制造工藝和更高端產(chǎn)品結(jié)構(gòu)演進(jìn)，同時(shí)也面臨著包括材料特性控制、阻抗和插損測試、高頻信號(hào)完整性測試、多參數(shù)綜合分析和成本控制等諸多挑戰(zhàn)。

是德科技提供的完整的高頻高速材料及PCB仿真和測試方案，在頻率范圍、測量精度、測試速度和智能化程度等方面都代表了業(yè)界領(lǐng)先水平，為高頻高速PCB廠家的研發(fā)和生產(chǎn)提供堅(jiān)強(qiáng)的后盾。

關(guān)于是德科技

是德科技（NYSE：KEYS）啟迪并賦能創(chuàng)新者，助力他們將改變世界的技術(shù)帶入生活。作為一家標(biāo)準(zhǔn)普爾 500 指數(shù)公司，我們提供先進(jìn)的設(shè)計(jì)、仿真和測試解決方案，旨在幫助工程師在整個(gè)產(chǎn)品生命周期中更快地完成開發(fā)和部署，同時(shí)控制好風(fēng)險(xiǎn)。我們的客戶遍及全球通信、工業(yè)自動(dòng)化、航空航天與國防、汽車、半導(dǎo)體和通用電子等市場。我們與客戶攜手，加速創(chuàng)新，創(chuàng)造一個(gè)安全互聯(lián)的世界。