PCB 材料特性及其對高頻板性能的影響

了解印制電路板（PCB）材料參數(shù)（如相對介電常數(shù)和損耗角正切）使我們能夠討論在設(shè)計(jì)高速/高頻應(yīng)用時(shí)選擇合適材料的一些重要考慮因素。

印制電路板材料的重要參數(shù)

影響線路衰減的一些最重要的材料參數(shù)包括：

介電材料的相對介電常數(shù)（εr 或 Er 或 Dk）

介電材料的損耗角正切（tanδ 或 Df）

受集膚效應(yīng)和表面粗糙度影響的導(dǎo)體電阻

最后是印制電路板的玻璃纖維編織成分

對這些特性以及傳輸線中的損耗機(jī)制有良好理解，有助于我們?yōu)閼?yīng)用選擇合適的印制電路板材料。材料選擇是印制電路板設(shè)計(jì)過程的第一步。如今，高速數(shù)字板和射頻產(chǎn)品的設(shè)計(jì)者可以從數(shù)十種控介電常數(shù)和低損耗的印制電路板材料中選擇。許多層壓板供應(yīng)商已經(jīng)開發(fā)了專有的樹脂系統(tǒng)。

使用低 Dk 和 tanδ 的材料來減少損耗

對于低損耗的傳輸線，每英寸的介電損耗（以分貝為單位）由以下公式給出：

其中 f 是以 GHz 為單位的頻率。由此可知，介電損耗是由材料的介電常數(shù)和損耗角正切直接決定的。因此，我們可以使用具有較低 tanδ 和 εr 的材料來盡可能地限制 αd。對于非常高 Gbps 的收發(fā)器，有三種材料選擇是推薦的：Nelco 4000-13EPSI、Rogers 4350B 和 Panasonic Megtron 6。下圖 1 比較了這些材料與其他一些常見材料的損耗角正切。

圖 1. 不同印制電路板材料的損耗角正切隨頻率變化的函數(shù)。圖片承蒙英特爾公司提供。

使用低 Dk 材料來減小板厚

為了更好地理解使用低 Dk 材料如何使我們能夠減小板厚，請考慮圖 2 中所示的帶狀線。

圖 2. 一種帶狀線配置

國際電子工業(yè)聯(lián)接協(xié)會推薦的帶狀線特性阻抗的最常用近似公式是：

其中：

t 是金屬厚度（密耳） w 是線寬（密耳） b 是平面之間間距（密耳）

對于固定的特性阻抗 Z0 和走線寬度 w，如果我們使用具有更大 εr 的材料，那么我們必須增加平面之間的間距。換句話說，較大的 εr 可能會增加板的整體厚度。在具有多個信號層的高密度板中，這可能會顯著增加板厚。更厚的板意味著設(shè)計(jì)需要具有更大長徑比的過孔。過孔的長徑比是其長度除以其直徑。

例如，如果板厚為 0.2 英寸，過孔鉆孔直徑為 0.02 英寸，那么長徑比為 10:1。長徑比大的困難在哪里呢？請記住，為了提供電氣連接，過孔的內(nèi)部需要用鍍銅溶液覆蓋銅。圖 3 顯示了一個長徑比為 15:1 的鍍孔的橫截面。

圖 3. 長徑比為 15:1 的高長徑比鍍孔的橫截面

大多數(shù)印制電路板制造商能夠制造長徑比在 6:1 到 8:1 之間的過孔。隨著長徑比的增加，鍍銅變得越來越困難，因?yàn)檫^孔內(nèi)壁的銅層可能會變薄。這甚至?xí)惯^孔中心在熱應(yīng)力下更容易開裂。因此，對于較大的長徑比，可能需要使用更昂貴的印制電路板制造技術(shù)，并且最終板的可靠性會令人擔(dān)憂。選擇低 Dk 的材料可以在一定程度上緩解這些問題。

介電常數(shù)隨頻率變化

印制電路板材料的介電常數(shù)是頻率的函數(shù)。下圖 4 顯示了一些常見印制電路板層壓板的介電常數(shù)的頻率依賴性。

圖 4. 介電常數(shù)與頻率的關(guān)系

介電常數(shù)的變化會帶來哪些影響呢？介電常數(shù)會影響兩個重要參數(shù)：特性阻抗和波速。信號通過傳輸線的傳播速度可用以下公式表示：

其中 c 是光在真空中的速度。

由于 Dk 的變化，信號的不同頻率成分可能會經(jīng)歷略微不同的信號速度，從而導(dǎo)致信號色散。隨著頻率的增加，Dk 減小，線路的特性阻抗增加（公式 2）。這會惡化高頻下的信號反射。因此，希望使用在感興趣頻率范圍內(nèi) Dk 對頻率響應(yīng)更平坦的材料。

圖 4 顯示，F(xiàn)R4 系列材料的 Dk 對頻率響應(yīng)變化相對較大。這就是為什么建議在高速/高頻應(yīng)用中避免使用這種材料（另一個原因是 FR4 系列印制電路板層壓板的高介電損耗）。需要注意的是，大多數(shù)制造商僅在幾個特定頻率下指定 Dk 值。

介電常數(shù)隨樹脂含量變化

印制電路板材料是一種纖維/樹脂復(fù)合材料，可以使用不同密度的編織物（圖 5）。

圖 5. 圖片承蒙 NWES 公司提供。

樹脂的介電常數(shù)小于纖維的介電常數(shù)。因此，增加樹脂含量會降低印制電路板層壓板的有效 Dk。圖 6 顯示了 FR408HR 層壓板的介電常數(shù)如何隨樹脂含量變化。

圖 6. 印制電路板層壓板樹脂含量與相對介電常數(shù)的關(guān)系

因此，除了測量頻率外，層壓板供應(yīng)商還應(yīng)指定相應(yīng)的樹脂含量。表 1 給出了在兩個不同頻率（1 MHz 和 1 GHz）下，不同結(jié)構(gòu)和樹脂含量的高 Tg FR4 層壓板的介電常數(shù)。

表 1. 不同高 Tg FR4 層壓板的介電常數(shù)

這張表清楚地顯示，給定的層壓板厚度可以有不同的介電常數(shù)。例如，厚度為 0.004 英寸的層壓板的介電常數(shù)可以從 4.11 變化到 4.54。原因是，對于厚度為 0.004 英寸的層壓板，其可用的變體使用了不同風(fēng)格的玻璃纖維編織物，并且具有不同的玻璃纖維與樹脂比例。

纖維編織效應(yīng)

如圖 5 所示，印制電路板的層壓板和芯板是由浸漬了樹脂的編織玻璃纖維制成的。這使得材料本質(zhì)上是不均勻的和各向異性的。換句話說，板的某些區(qū)域可能是玻璃纖維占主導(dǎo)，而另一些區(qū)域則是樹脂豐富的。這可能會在要求苛刻的應(yīng)用中引起問題。為了更好地理解這一點(diǎn)，請考慮下面顯示的兩條走線。

圖 7. 編織玻璃印制電路板材料的高清圖像

在上圖中，走線 1 位于纖維束上方，而走線 2 位于樹脂豐富區(qū)域。這表明，根據(jù)位置的不同，同一塊板上的兩條走線可能會經(jīng)歷不同的有效介電常數(shù)。因此，同一塊板上的兩條路徑的信號速度可能不相同，這可能會在高速板中導(dǎo)致時(shí)序偏移。有幾種不同的玻璃纖維編織風(fēng)格，其中一些如圖 5 所示。正如您所見，材料的不均勻性取決于玻璃纖維編織的類型和編織中的間隙大小。像 106 和 1080 玻璃布這樣編織稀疏的材料，與編織更緊密的風(fēng)格相比，會產(chǎn)生更大的時(shí)序偏移。電磁干擾加劇和損耗問題也是編織稀疏材料的另外兩個不良影響。

除了使用玻璃纖維分布更均勻的編織風(fēng)格外，我們還可以使用一些走線布線技巧，使板上的 Dk 更加一致。例如，我們可以使走線與纖維經(jīng)線/緯線呈一定角度，和/或使用鋸齒形布線風(fēng)格，以在一定程度上減輕玻璃纖維編織效應(yīng)。請注意，鋸齒形布線會消耗寶貴的板空間，并由于使用更長的走線而增加損耗，而只是部分解決了問題。要了解更多關(guān)于這種效應(yīng)的信息，請參考這份 Isola 的演示文稿。

板的損耗角正切

下圖 8 比較了一些印制電路板材料的損耗與頻率性能。正如您所見，某些材料的損耗明顯低于其他材料。這些信息可以幫助我們決定哪種材料在更高頻率下可能表現(xiàn)更好。隨著我們進(jìn)入越來越高的頻率，應(yīng)使用損耗更低且提供更平坦的 Dk 對頻率響應(yīng)的材料。

圖 8. 常見印制電路板材料的損耗與頻率關(guān)系

圖 9 顯示了使用低損耗角正切的印制電路板層壓板系統(tǒng)如何增加印制電路板的成本。作為參考，圖中的 FR406 是 Isola 公司制造的高 Tg FR-4 材料。

圖 9. 在印制電路板設(shè)計(jì)中，較低的損耗角正切通常需要更高的成本

關(guān)于 FR4 板的普遍誤解

在此值得一提的是，與普遍認(rèn)為的相反，“FR4” 并不指代具有已知介電常數(shù)或其他性能指標(biāo)的特定印制電路板層壓板。FR4 材料是一大類用作印制電路板基板的玻璃纖維編織樹脂浸漬材料。將其用作層壓板標(biāo)識符有著歷史淵源。在印制電路板技術(shù)早期，有兩種原始材料選擇：聚酰亞胺和環(huán)氧樹脂基材料。術(shù)語 FR4 用于指代后者?！癋R4” 逐漸意味著 “非聚酰亞胺”，但它并不指定介電常數(shù)或其他性能指標(biāo)。

使用仿真工具和測量提高準(zhǔn)確性

層壓板供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)以及我們在之前文章中討論的一階損耗方程，使我們能夠?qū)Σ牧显诟信d趣頻率下的性能進(jìn)行初步評估。然而，需要注意的是，當(dāng)損耗對我們很重要時(shí)，我們通常需要分析工具來更準(zhǔn)確地估計(jì)特定材料在工作頻率范圍內(nèi)的損耗。如果涉及大量資金，我們可能甚至無法信任模擬性能。在這種情況下，最好使用實(shí)際電路構(gòu)建測試板來檢查材料的實(shí)際性能。確保從原型到批量生產(chǎn)的整個生產(chǎn)周期中使用相同的層壓板也很重要。