为什么FR4的介电常数DK值为4.2-4.8之间？

编者注：近日，有一位会员要求加工一款天线，指定必须要FR4的介电常数为4.5。我只能表示我无能为力，无法保证FR4这么精确的DK值。今天就来为大家解释一下，为什么FR4（玻璃纤维环氧树脂覆铜板）的介电常数（DK）值通常标注为4.2-4.8之间？

在印刷电路板（PCB）材料中添加编织玻璃可以增加材料的结构强度。这样有助于增加层压板材料的机械稳定性，但这是否对材料电气行为有什么影响？关于机织玻璃增强层压PCB板的经典问题之一是“玻璃编织效应”可能会对加工在这些层压板上的高速或高频电路的电气性能产生负面影响。

取决于玻璃纤维层压板的特定树脂系统，这种材料的介电常数（Dk）实际上是随着位置以非常小的周期性的方式变化。这些具有不同Dk值的小区域可能是由玻璃纤维特有的物理织造结构造成，其中玻璃纤维织造物是由玻璃纤维束织造而成，同时在玻璃束与束之间还存在细小的开放区域（参见图）。其中，玻璃纤维束的Dk通常约为6，而束之间的开放区域中的层压体的Dk远低于玻璃纤维束，通常为3左右。由于高速/高频传输线的阻抗高度依赖于Dk，Dk值的变化一直是电路设计工程师使用织造玻璃层压板的问题。

PCB【印制电路板】构成图如下。半固化片和覆铜板就是我们常说的PP和芯板。其中的介质就是环氧树脂和玻璃纤维布混合成的。（刚性印制电路板）

玻璃布有很多种型号，每个型号厚度，编制尺寸都不相同。下面列举一些常用玻璃纤维型号，可以很直观的看到网格状玻璃纤维布，有的型号空窗很大，有的型号空窗则很小几乎没有。

玻纤效应的具体影响，请看下记图例，分别是对阻抗的影响、对延时的影响和对损耗的影响。

需要注意的是，玻纤效应对于高速长走线影响最大，低速系统或者很短的走线可以不考虑。

下面举一个例子来说明玻璃纤维如何对微带传输电路产生影响：考虑一个具有顶部和底部（信号传输和微带接地平面）的双面覆铜层压板，在10GHz时其Z轴（厚度）方向的介电常数DK为3.0。通常在较高的频率，如毫米波频率（30GHz及以上），DK的变化会影响材料的性能。例如，在77GHz通过电路传播的信号的四分之一波长约为0.024英寸，这也就意味着八分之一波长约为0.012英寸。从理论上讲，在大于感兴趣频率的四分之一波长的情况下，当电磁（EM）波在其传播介质上遇到任何类型的DK变化，电磁波传播将被破坏并且可能发生共振。

实际经验表明，即使小至八分之一波长的异常也可能导致电磁波的传播问题。在玻璃或玻璃束中具有八分之一波长或更高频率的线路层压板可能会受到玻璃束分布（以及相应的Dk发生变化）导致其性能不规则。鉴于可以用来加强不同线路层压板的玻璃种类，这些玻璃中的若干类型在77GHz（0.012英寸）具有八分之一波长或更大的空隙并不罕见。

大概意思是：毫米波的波长小，当其尺寸和FR4玻璃纤维的“缝隙”相当时，其DK的波动变化就大。这就是FR4不适用于毫米波电路的原因之一。

关于对策，主要是材料选择、设计规避以及生产规避。材料选择规避：

1：使用空窗小的玻璃纤维布。也就是大家说的扁平玻璃布，开纤布等。从源头避免由于玻璃纤维布空窗处有效介电常数波动的存在。例如：1067/1078/2116等。

2：使用多张PP叠加，降低露窗概率。方法是可行的，除非介质较厚本来就需要多张PP叠加，否则个人看法不如第一种。一来是成本、二来PP超过三张制造时容易滑片。

3：使用低介电常数玻璃纤维布，降低玻璃纤维和环氧树脂的介电常数差，减小空窗内和空窗外的有效介电常数差。注意：低介电常数玻璃纤维布通常只配备超低损耗板材。也就是常说的高速板材，成本高。

设计规避：

1：重要信号走带有一定角度的线，3°、7°、11°等等都行，基本不增加成本，但是layout更难做一些，我觉得各位layout小伙伴已经把这个仇记在小本本上了。

2：重要信号旋转角度布局，增加设计难度。小妙招是芯片FANOUT之后，在整体旋转。

3：正常设计之后，拼板时旋转7°拼板。这是相当于整版7°走线的骚操作。

生产规避：

正常设计让板厂生产时将材料旋转。我们用芯板是从大料上裁剪下来的，大料是方形的，旋转裁剪势必降低板材利用率，PP也得用更大张的。会增加了制造成本。

审核编辑：汤梓红