כיצד חומרים דיאלקטריים ב-PCB משפיעים על שלמות אותות במהירות גבוהה: הסבר על זמן עלייה, דיאגרמות עין והפסדים

בעולם התקשורת הדיגיטלית במהירות גבוהה, שלמות האות (Signal Integrity, SI) היא מבחן המפתח לאמינות המערכת. מבין כל הגורמים המשפיעים על SI, לעיתים קרובות ממעיטים בערכן של התכונות החשמליות של מצע ה-PCB.

בין אם מדובר ב-Ethernet בקצב 10Gbps, ב-PCIe Gen5/6 או ב-DDR5, איכות האות כבר איננה “האם יש קישור?”, אלא האם צורת הגל נשמרת כפי שצריכה להיות. מאמר זה מסביר כיצד קבוע הדיאלקטרי (Dk) ומקדם הפסדי הדיאלקטרי (Df) של המצע קובעים ישירות את גבולות הביצועים של PCB מהיר, דרך הפריזמות של זמן עלייה, רוחב פס ודיאגרמת עין.

זמן עלייה, רוחב פס ומה המשמעות

במערכת שידור דיגיטלית, לוגי “1” מייצג מתח גבוה ו-“0” מייצג מתח נמוך. אות דיגיטלי מהיר אינו ריבוע מושלם; כל מעבר רמה הוא סכום של גלים סינוסואידליים רבים. ככל שזמן העלייה קצר יותר, כך האות מכיל יותר רכיבי תדר גבוה, ו-רוחב הפס הנדרש רחב יותר.

קשר שימושי ונפוץ:

רוחב פס (GHz) ≈ 0.35 / זמן עלייה (ns)

למשל, זמן עלייה של 35ps משמעו צורך ברוחב פס של כ-10GHz.

במילים אחרות:

• זמן עלייה קצר יותר → אות מהיר יותר → אנרגיית תדר גבוה רבה יותר.
• כל גורם המגביל תדרים גבוהים — כגון הפסד דיאלקטרי — יאט את החזית ו-יעוות את צורת הגל.

דיאגרמת העין: בדיקת הבריאות של קישורים מהירים

דיאגרמת עין היא אחד הכלים הנפוצים להערכת איכות קישור מהיר. על-ידי חפיפה של מקטעי גל רבים מתקבלת “עין” שמגלה את האפקט המצטבר של רעש, ג’יטר ו-עיוות.

• גובה העין – מרווח רעש (כמה רעש המערכת יכולה לסבול) – גדול יותר = טוב יותר.
• רוחב העין – מרווח ג’יטר (אי-ודאות תיזמון מותרת) – גדול יותר = טוב יותר.
• עובי החזיתות – מייצג עיוות ורעש במקלט – דק יותר = טוב יותר.
• שטיחות החלק העליון/התחתון – יציבות רמות המתח הלוגיות – שטוח יותר = טוב יותר.

עין פתוחה מעידה על שידור נקי ואמין; עין סגורה מצביעה על התדרדרות קשה — ג’יטר גבוה, רעש גבוה וסבירות גבוהה לשגיאות ביט.

כיצד חומרי ה-PCB משפיעים על שלמות האות

נמחיש אות 10Gbps (כבדוגמאות המקוריות):

• הגל העליון: אות מקור אידיאלי, מעבר נקי מ-0 ל-1.
• שמאל-למטה (FR-4 תקני): ירידת אמפליטודה, חזיתות מעוגלות ואובדן רכיבי תדר גבוה.
• ימין-למטה (חומר Dk/Df נמוכים): צורת גל קרובה מאוד למקור עם הפסד מינימלי.

כאן “D” מתייחס לתכונות הדיאלקטריות של המצע — בעיקר Dk (קבוע דיאלקטרי) ו-Df (מקדם הפסד או tan δ). בעיצוב מהיר מעשי, Df שולט בהנחתה לאורך המסלול, בעוד Dk קובע את מהירות ההתפשטות וההתנגדות האופיינית.

בהשוואות נוספות רואים כי:

• כאשר D (או Df) גבוה, דיאגרמת העין כמעט נסגרת — מצב בלתי קביל.
• כאשר מפחיתים את D, העין נפתחת, צורת הגל מתבהרת ושיעור שגיאות הביט קטן.

שורה תחתונה:
הפחתת tan δ (Df) של החומר היא תנאי בסיסי לשמירה על שלמות אות במהירויות גבוהות.

איזון בין הפסדים, רוחב מוליך ואפקט העור (Skin Effect)

אובדן האות ב-PCB נובע משני מקורות עיקריים:

1. הפסד דיאלקטרי — אנרגיה שסופג המצע, פרופורציונלית ל-tan δ.
2. הפסד מוליך — בשל אפקט העור: בתדרים גבוהים הזרם מרוכז בפני השטח של הנחושת, וההתנגדות האפקטיבית עולה.

בסימולציות (עם רוחב מסילה של 5mil כקו בסיס) התקבל:

• מסילות רחבות יותר → הפסד מוליך קטן יותר עקב אפקט העור → הנחתה כוללת נמוכה יותר.
• הגדלת הרוחב יכולה לקזז חלק מההפסד הדיאלקטרי, אך מפחיתה את צפיפות הניתוב.
• הטרייד-אוף הזה קריטי במיוחד בעיצובים צפופים, רב-שכבתיים ומהירי-תדר.

חופש תכנון עם חומרים דלי-הפסד

בשימוש בחומרים שונים בעלי Dk/Df נמוכים, משתנה באופן ניכר הקשר בין רוחב מסילה ל-הפסד:

כדי לשמור על הנחתה כוללת פחות מ-15 dB/m:

• חומר A (דלי-הפסד סטנדרטי) דורש רוחב מסילה של כ-8 mil.
• חומר B (Df נמוך במיוחד) מסתפק ב-כ-5 mil.

דבר זה מאפשר:

• צפיפות ניתוב גבוהה יותר ללא תוספת הפסד.
• גאומטריות עדינות יותר בלי לפגוע באיכות האות.
• יכולת התרחבות טובה יותר ל-HDI וללוחות גב (Backplanes).

“תקרת החומר” במערכות מהירות

בקצבים של 10Gbps ומעלה, מצע ה-PCB איננו עוד נושא פסיבי, אלא חלק פעיל מנתיב האות.

• Dk (קבוע דיאלקטרי): שולט במהירות ההתפשטות וביציבות התיזמון → משפיע על השהיה ושליטת התנגדות.
• Df (מקדם הפסד): שולט בהנחתה ובפתיחת דיאגרמת העין → משפיע על איכות האות.
• יציבות בתדר: מידת שינוי Dk/Df עם התדר → משפיעה על דיוק הסימולציה והיכולת לנבא ביצועים.

בחירת חומר לפי קצב נתונים:

• ≤ 10 Gbps (מהירות בינונית): FR-4 משופר או למינציות בהפסד בינוני.
• 10–25 Gbps (קישורים מהירים): חומרים Low-Dk/Low-Df (למשל Megtron 6, Rogers 4350B).
• ≥ 25 Gbps (מהיר במיוחד): חומרים אולטרה-דלי-הפסד (Df < 0.002) עם בקרה הדוקה של התנגדות אופיינית.

סיכום: המצע מציב את הגבול

בעיצובי PCB מודרניים ומהירים, המצע כבר אינו “סיבי זכוכית בלבד”, אלא רכיב חשמלי פעיל:

• Dk נמוך יותר → התפשטות מהירה יותר ושולי תיזמון טובים יותר.
• Df נמוך יותר → פחות הפסד ו-דיאגרמת עין רחבה ונקייה יותר.
• התנהגות דיאלקטרית יציבה → תכנון צפוי וביצועי ייצור ניתנים לשחזור.

כשהקצבים דוהרים ל-Multi-Gbps ואף Tbps, בחירת החומר עוברת מ-שיקול עלות ל-שיקול ביצועים מערכתיים. בחירה נכונה של מצע דל-הפסד היא המפתח לכך ש“העין” של המערכת שלך תישאר פתוחה.