PCB設(shè)計(jì)如何快速選定性能最優(yōu)、性價(jià)比最高的材料

過去，為制造PCB選擇材料時(shí)，一律都使用FR-4，無(wú)需多想。因?yàn)橹笆褂玫?a href="http://wenjunhu.com/tags/時(shí)鐘/" target="_blank">時(shí)鐘頻率較低，信號(hào)的上升時(shí)間較慢，所以基板的性能并不會(huì)造成問題。如今設(shè)計(jì)使用的頻率動(dòng)輒就是數(shù)千兆比特，上升速度極快且時(shí)間余量極少，所以精準(zhǔn)選擇材料就成了決定產(chǎn)品性能表現(xiàn)的關(guān)鍵。

人們對(duì)選擇材料流程的把控也就隨之更加嚴(yán)苛。曾經(jīng)用于制造多層PCB的材料會(huì)吸收高頻率并降低邊緣速率，于是成為造成信號(hào)完整性問題的主要原因。但是，并不是所有人都在設(shè)計(jì)走在技術(shù)前沿的PCB，有時(shí)我們往往會(huì)過度指定對(duì)產(chǎn)品的要求，可能導(dǎo)致生產(chǎn)成本上升。

多年來(lái)，行業(yè)已經(jīng)開發(fā)出了大量用于制造多層PCB的材料。在iCD的介質(zhì)材料庫(kù)中，現(xiàn)在已有來(lái)自60多家不同制造商生產(chǎn)的700多種介質(zhì)剛性、介質(zhì)撓性材料可供選擇。如果每個(gè)目標(biāo)應(yīng)用都使用了適當(dāng)?shù)牟牧?，就可以在滿足項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和性能目標(biāo)的同時(shí)，用盡可能的最低成本制造出想要的PCB。

電磁能可以在真空或空氣中以光速傳播。但隨著磁場(chǎng)被包封在PCB媒質(zhì)中的介質(zhì)材料內(nèi)，電磁能的傳播速度會(huì)放緩。當(dāng)電磁能在周圍的介質(zhì)材料中傳播時(shí)，PCB中的信號(hào)線只是用來(lái)引導(dǎo)波。信號(hào)搭乘在這個(gè)載波上。決定電磁能傳播速率(v)的是介質(zhì)材料：

c表示（自由空間內(nèi)）光的傳播速度，Dk表示材料的介電常數(shù)（FR-4的介電常數(shù)約為4.0）。空氣的Dk值是1。因此，電磁能在FR-4中的傳播速率大約是光速的一半，也就是每納秒6英寸。

介質(zhì)材料的電氣特性可以用兩個(gè)術(shù)語(yǔ)描述：

介電常數(shù)(Dk)或相對(duì)電容率(Er)表示在所施加電壓下，貯存在材料中的電磁能（與貯存在真空中的電磁能）之比。

這一術(shù)語(yǔ)表示了材料如何增加電容以及如何減慢電磁能在材料中的傳播速率。

損耗因數(shù)(Df)或者介電損耗、損耗角正切值(tan δ)是介質(zhì)材料的參數(shù)，表示材料自身的電磁能耗散值。

介電常數(shù)和介電損耗不是傳輸線幾何形狀的函數(shù)，而是在給定頻率下，PCB疊層中傳播信號(hào)的介質(zhì)材料的函數(shù)。這些機(jī)制會(huì)導(dǎo)致因頻率產(chǎn)生損耗，且會(huì)降低信號(hào)速度。阻抗不連續(xù)和介質(zhì)材料損耗會(huì)影響到在媒介中傳播并被接收端接收的信號(hào)質(zhì)量。PCB常用的玻璃環(huán)氧樹脂材料(FR-4)在頻率低于1 GHz的數(shù)字應(yīng)用中，其損耗可以忽略不計(jì)。但在較高頻率下，其損耗就會(huì)引起嚴(yán)重問題。

如果信號(hào)的上升時(shí)間、下降時(shí)間較短，電磁波就需要以更快的速度傳播，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，Dk值需要足夠低。如果在電場(chǎng)中使用的材料具有較高的介電常數(shù)，那么在給定體積的介質(zhì)內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度就會(huì)顯著降低。因此高速設(shè)計(jì)最好使用低Dk值的材料。相反，高Dk值的材料非常適用于緊縮電場(chǎng)，將其置于平面之間可增加平面電容。

高效的介質(zhì)材料可在最小程度地產(chǎn)生熱量損耗的前提下支持不同電荷的傳輸。介質(zhì)中產(chǎn)生能量損耗的形式有兩種：

導(dǎo)電損耗指的是電荷在流經(jīng)材料的過程中產(chǎn)生的能量損耗。

介電損耗是指電荷在交變電磁場(chǎng)中隨著正負(fù)兩極切換方向而運(yùn)動(dòng)所耗散的能量。

在極化機(jī)制產(chǎn)生的諧振頻率附近，介電損耗值特別高，因?yàn)闃O化滯后于施加的電場(chǎng)，導(dǎo)致電場(chǎng)與介質(zhì)極化之間的相互作用，從而導(dǎo)致散熱（圖1）。

圖1:介電常數(shù)和介電損耗與諧振頻率的對(duì)比

但也要考慮到溫度因素的影響。最重要的因素就是玻璃轉(zhuǎn)化溫度(Tg)，即固態(tài)玻璃開始轉(zhuǎn)變成非晶態(tài)樹脂、環(huán)氧樹脂的溫度。

如果回流焊溫度長(zhǎng)時(shí)間超過Tg，材料在Z軸上就會(huì)迅速膨脹，同時(shí)材料機(jī)械性能也會(huì)迅速衰減，也就是說材料內(nèi)的強(qiáng)度和鍵合程度都會(huì)減弱。

高Tg值保證了材料不會(huì)在回流焊過程中出現(xiàn)孔壁開裂和焊盤破裂的情況。標(biāo)準(zhǔn)FR-4的Tg是135~170℃，而高速材料的Tg通常要高于200℃。

分解溫度(Td)是指材料開始發(fā)生化學(xué)分解的溫度。超過了這一溫度，材料便再也無(wú)法恢復(fù)到原樣。大多數(shù)材料的Td是320℃，所以不成問題。

熱膨脹系數(shù)(coefficient of thermal expansion，簡(jiǎn)稱CTE)表示材料隨著溫度升高在Z軸上的膨脹速率。CTE應(yīng)盡可能保持在較低水平(<70 ppm)。

還需要考慮材料的許多其他性能，而材料制造商清楚地了解針對(duì)高速設(shè)計(jì)的材料組合。好在具有低Dk值的材料同時(shí)具有較低的Df、較高的Tg和Td，正是高速設(shè)計(jì)所需的性能。所以只需要考慮Dk和Df值就可以選擇到大致適當(dāng)?shù)牟牧稀?/p>

要從這么多材料中進(jìn)行選擇，哪種材料最適合某一具體產(chǎn)品？低成本通常也意味著低質(zhì)量。但是低良率帶來(lái)的代價(jià)也會(huì)導(dǎo)致最終的材料成本上升。

介質(zhì)材料的選擇通常取決于數(shù)字信號(hào)的頻率和上升時(shí)間，高頻應(yīng)用最適合使用損耗值較低的材料。這類材料通常具有較低的介電常數(shù)，所以信號(hào)傳播速率也會(huì)更快。表1給出了介質(zhì)材料的損耗曲線范圍。

表1：損耗曲線范圍

圖2展示了Df<0.005的介質(zhì)材料損耗值曲線。如表1所示，iCD materials planner中有5條默認(rèn)曲線，展示了從基本的FR-4到超低損耗材料的損耗值。

基于這個(gè)表格，設(shè)計(jì)師可以根據(jù)頻率、損耗因數(shù)（損耗）和介電常數(shù)來(lái)對(duì)比介質(zhì)材料。

圖2：超低損耗介質(zhì)材料的損耗曲線(來(lái)源：iCD Materials Planner)

另一個(gè)問題是，對(duì)于不同的制造商而言，本土與境外可獲取的材料也有所不同。一般來(lái)講，樣品板都是在本地生產(chǎn)加工，對(duì)于批量生產(chǎn)，在亞洲制造PCB是更經(jīng)濟(jì)的選擇。可以設(shè)定PCB制造商整個(gè)材料、工廠庫(kù)存概況，便于對(duì)比不同工廠。

圖3展示了某家亞洲制造商介質(zhì)材料的損耗性能。設(shè)計(jì)師可以從有庫(kù)存的各類材料中選擇最適合用于高速應(yīng)用的材料，一目了然。在選擇材料過程中，還是要進(jìn)行性價(jià)比評(píng)估，這樣才能保證選擇到成本最低的材料。還需要注意的是，材料成本會(huì)隨著訂購(gòu)數(shù)量的變化而有所不同。

圖3：介質(zhì)材料的損耗曲線示例(來(lái)源：iCD Materials Planner)

匹配介電常數(shù)的材料性能值也很重要。不同材料的介電常數(shù)之間，哪怕存在著微小差異，也會(huì)嚴(yán)重影響材料的阻抗、線寬、線距，這些會(huì)產(chǎn)生不同的損耗。材料的介電常數(shù)決定了信號(hào)在媒介中的傳播速度。如果基板不同層之間的Dk值不同，總線的信號(hào)時(shí)序也會(huì)出現(xiàn)問題。設(shè)計(jì)師應(yīng)該考慮產(chǎn)品中可以使用插入式材料，以匹配疊層中每層結(jié)構(gòu)的阻抗和Dk值。

PCB設(shè)計(jì)師需要在海量備選材料中快速選定性能最優(yōu)、性價(jià)比最高的材料。在如此龐雜的規(guī)格單和數(shù)據(jù)表中檢索適當(dāng)?shù)牟牧戏浅：臅r(shí)。不僅需要基于制造商的產(chǎn)品線，更重要的是，還需要基于制造商的首選庫(kù)存，對(duì)介質(zhì)材料直接進(jìn)行視覺比較，這種方式無(wú)疑是最有效的選材方法。

關(guān)鍵要點(diǎn)：

用于制造多層PCB的材料會(huì)吸收高頻率并降低邊緣速率，于是成為造成信號(hào)完整性問題的主要原因。

如果每個(gè)目標(biāo)應(yīng)用都使用了適當(dāng)?shù)牟牧?，就可以在滿足項(xiàng)目的設(shè)計(jì)目標(biāo)和性能目標(biāo)的同時(shí)，用最低的成本制造出符合要求的PCB。

電磁能在真空或空氣中以光速傳播。但隨著磁場(chǎng)被包封在PCB媒質(zhì)的介質(zhì)材內(nèi)料，電磁能的傳播速度會(huì)放緩。電磁能在FR-4中的傳播速率大約是光速的一半，也就是每納秒6英寸。

PCB常用的玻璃環(huán)氧樹脂材料(FR-4)在頻率低于1 GHz的數(shù)字應(yīng)用中，其損耗可以忽略不計(jì)。但在較高頻率下，其損耗會(huì)引起嚴(yán)重問題。

高速設(shè)計(jì)最好使用低Dk材料。相反，高Dk材料適用于緊縮電場(chǎng)，將其置于平面之間可增加平面電容。

介電常數(shù)(Dk)表示在所施加電壓下，儲(chǔ)存在材料中的電磁能量。

損耗因數(shù)(Df)表示材料固有的電磁能耗散值。

導(dǎo)電損耗是指電荷在流經(jīng)材料的過程中產(chǎn)生的能量損耗。

介電損耗是指電荷在交變電磁場(chǎng)中隨著正負(fù)兩極切換方向而運(yùn)動(dòng)所耗散的能量。

在諧振頻率附近，介電損耗特別高，導(dǎo)致電場(chǎng)與介質(zhì)極化之間的相互作用，產(chǎn)生散熱。

具有低Dk的材料同時(shí)具有較低的Df、較高的Tg和Td，正是高速設(shè)計(jì)所需的性能。

匹配介電常數(shù)的材料性能值至關(guān)重要。不同材料的介電常數(shù)之間哪怕存在著微小差異，也會(huì)嚴(yán)重影響材料的阻抗、線寬、線距，因而產(chǎn)生不同的損耗值。

材料的介電常數(shù)決定了信號(hào)在媒介中的傳播速度。如果基板不同層之間的Dk值不同，總線的信號(hào)時(shí)序也會(huì)出現(xiàn)問題。

編輯：黃飛

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