FR-4 是高速 PCB 設(shè)計(jì)的最佳電路板材料選擇嗎?

當(dāng)我們負(fù)責(zé)一個(gè)位于我們舒適區(qū)之外的項(xiàng)目時(shí)，我們都曾經(jīng)歷過(guò)一次或一次。對(duì)我來(lái)說(shuō)，當(dāng)我的老板讓我設(shè)計(jì)高速板時(shí)，那一天就來(lái)了。雖然我認(rèn)為自己是一位經(jīng)驗(yàn)豐富的電路設(shè)計(jì)師，但我知道高速 PCB 設(shè)計(jì)有許多限制，這些限制是您在設(shè)計(jì)普通電路時(shí)通常不會(huì)遇到的。最初，我花時(shí)間制作適用于高速設(shè)計(jì)的原理圖;然而，一旦完成，我就完全專注于了解我是否應(yīng)該為我的高速PCB 原型使用 FR-4 或更專業(yè)的材料. 在深入了解我所學(xué)的知識(shí)之前，重要的是要知道我在本文中將“高速”指的是大于 50 MHz 的任何東西。這些是您在該頻率范圍內(nèi)工作時(shí)應(yīng)注意的材料注意事項(xiàng)。

與其他設(shè)計(jì)相比，高速設(shè)計(jì)在信號(hào)完整性方面具有更嚴(yán)格的規(guī)范。盡管高速信號(hào)的布線非常小心以滿足這些要求，但必須明白，電路板材料本身是整個(gè)信號(hào)完整性方程式的一部分。因此，用于高速設(shè)計(jì)的電路板材料需要具有嚴(yán)格公差的介電常數(shù)等特性，以幫助控制阻抗。如果允許阻抗在整個(gè)設(shè)計(jì)中發(fā)生變化，那么高速信號(hào)將在它們穿過(guò)線路時(shí)開(kāi)始將能量反射回來(lái)，并且信號(hào)將失真。此外，有助于保持信號(hào)完整性的低耗散因數(shù)也是可取的。最后，熱穩(wěn)定性是確保介電性能不會(huì)崩潰的另一個(gè)重要特性。

FR-4：它的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

自從我設(shè)計(jì)印刷電路板以來(lái)，F(xiàn)R-4 一直是用于制造 PCB 的標(biāo)準(zhǔn)材料?；氐匠跫?jí)設(shè)計(jì)師的時(shí)代，我們甚至養(yǎng)成了將所有電路板稱為“FR-4”的壞習(xí)慣，無(wú)論它們是否由它構(gòu)成。FR-4 是一種阻燃類型 4 玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧層壓板。它是一種非常具有成本效益的材料，既是出色的電絕緣體，又在干燥和潮濕的條件下非常堅(jiān)固。它還具有良好的制造性能，使其成為構(gòu)建 PCB 的理想材料。

FR-4 的缺點(diǎn)是當(dāng)涉及到過(guò)大的功率、電壓或熱量時(shí)，它有操作限制。如果超過(guò)其操作限制，F(xiàn)R-4 的介電性能就會(huì)崩潰。這意味著材料的絕緣性會(huì)降低，它會(huì)開(kāi)始導(dǎo)電。FR-4 的另一個(gè)問(wèn)題是為高速設(shè)計(jì)保持穩(wěn)定的阻抗。這是因?yàn)?FR-4 的介電常數(shù)會(huì)隨著電路板的長(zhǎng)度和寬度而變化。此外，隨著設(shè)計(jì)速度的提高，非高速設(shè)計(jì)中可接受的信號(hào)損失將增加到 FR-4 板中不希望的水平。

具體高速板材料與FR4相比如何

熱固性碳?xì)浠衔锖?PTFE 層壓板等專用高速板材料在高頻設(shè)計(jì)中將具有比 FR-4 更好、更可靠的特性。有一些權(quán)衡，我們將很快討論，但首先讓我們看一下高速板設(shè)計(jì)材料提供的一些優(yōu)勢(shì)：

1. 減少信號(hào)損失。隨著傳輸線頻率的增加，信號(hào)損失成為一個(gè)更大的問(wèn)題。高速設(shè)計(jì)板材料的耗散因數(shù)比 FR-4 低得多，一些材料(例如幾乎純的 PTFE 層壓板)要好一個(gè)數(shù)量級(jí)。這些較低的耗散因數(shù)是減少信號(hào)損失的一個(gè)重要因素。

2. 更嚴(yán)格地控制阻抗。FR-4 等傳統(tǒng) PCB 材料無(wú)法像高速板材料那樣精確控制介電常數(shù) (Dk)。FR-4 Dk 可以變化 +/- 10% 或更多，而 PTFE 等材料的 Dk 公差保持在 +/- 2% 或更好。

3. 更好的熱管理。一些高速設(shè)計(jì)板材料，如熱固性碳?xì)浠衔飳訅喊?，?dǎo)熱性比 FR-4 好得多。如果您的設(shè)計(jì)要處理熱管理問(wèn)題，那么這些電路板材料就是要研究的材料。

4. 增加吸濕性。水具有介電特性，即使是帶有高頻電路的 PCB 吸收的少量水分也會(huì)改變這些電路的電氣性能。雖然 FR-4 的吸濕率接近 50%，但一些 PTFE 材料的吸濕率低至 2%，應(yīng)考慮解決此問(wèn)題。

5. 強(qiáng)大的尺寸穩(wěn)定性。對(duì)于具有嚴(yán)格公差的密集高速設(shè)計(jì)，對(duì)尺寸穩(wěn)定性的需求增加了。雖然 FR-4 以其尺寸穩(wěn)定性著稱，但它缺乏高速材料提供的其他優(yōu)勢(shì)。在這種情況下，熱固性碳?xì)浠衔飳訅喊蹇赡苁歉玫倪x擇。