PCB 材料特性及其对高频板性能的影响

了解印制电路板（PCB）材料参数（如相对介电常数和损耗角正切）使我们能够讨论在设计高速/高频应用时选择合适材料的一些重要考虑因素。

印制电路板材料的重要参数

影响线路衰减的一些最重要的材料参数包括：

介电材料的相对介电常数（εr 或 Er 或 Dk）

介电材料的损耗角正切（tanδ 或 Df）

受集肤效应和表面粗糙度影响的导体电阻

最后是印制电路板的玻璃纤维编织成分

对这些特性以及传输线中的损耗机制有良好理解，有助于我们为应用选择合适的印制电路板材料。材料选择是印制电路板设计过程的第一步。如今，高速数字板和射频产品的设计者可以从数十种控介电常数和低损耗的印制电路板材料中选择。许多层压板供应商已经开发了专有的树脂系统。

使用低 Dk 和 tanδ 的材料来减少损耗

对于低损耗的传输线，每英寸的介电损耗（以分贝为单位）由以下公式给出：

其中 f 是以 GHz 为单位的频率。由此可知，介电损耗是由材料的介电常数和损耗角正切直接决定的。因此，我们可以使用具有较低 tanδ 和 εr 的材料来尽可能地限制 αd。对于非常高 Gbps 的收发器，有三种材料选择是推荐的：Nelco 4000-13EPSI、Rogers 4350B 和 Panasonic Megtron 6。下图 1 比较了这些材料与其他一些常见材料的损耗角正切。

图 1. 不同印制电路板材料的损耗角正切随频率变化的函数。图片承蒙英特尔公司提供。

使用低 Dk 材料来减小板厚

为了更好地理解使用低 Dk 材料如何使我们能够减小板厚，请考虑图 2 中所示的带状线。

图 2. 一种带状线配置

国际电子工业联接协会推荐的带状线特性阻抗的最常用近似公式是：

其中：

t 是金属厚度（密耳） w 是线宽（密耳） b 是平面之间间距（密耳）

对于固定的特性阻抗 Z0 和走线宽度 w，如果我们使用具有更大 εr 的材料，那么我们必须增加平面之间的间距。换句话说，较大的 εr 可能会增加板的整体厚度。在具有多个信号层的高密度板中，这可能会显著增加板厚。更厚的板意味着设计需要具有更大长径比的过孔。过孔的长径比是其长度除以其直径。

例如，如果板厚为 0.2 英寸，过孔钻孔直径为 0.02 英寸，那么长径比为 10:1。长径比大的困难在哪里呢？请记住，为了提供电气连接，过孔的内部需要用镀铜溶液覆盖铜。图 3 显示了一个长径比为 15:1 的镀孔的横截面。

图 3. 长径比为 15:1 的高长径比镀孔的横截面

大多数印制电路板制造商能够制造长径比在 6:1 到 8:1 之间的过孔。随着长径比的增加，镀铜变得越来越困难，因为过孔内壁的铜层可能会变薄。这甚至会使过孔中心在热应力下更容易开裂。因此，对于较大的长径比，可能需要使用更昂贵的印制电路板制造技术，并且最终板的可靠性会令人担忧。选择低 Dk 的材料可以在一定程度上缓解这些问题。

介电常数随频率变化

印制电路板材料的介电常数是频率的函数。下图 4 显示了一些常见印制电路板层压板的介电常数的频率依赖性。

图 4. 介电常数与频率的关系

介电常数的变化会带来哪些影响呢？介电常数会影响两个重要参数：特性阻抗和波速。信号通过传输线的传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 的变化，信号的不同频率成分可能会经历略微不同的信号速度，从而导致信号色散。随着频率的增加，Dk 减小，线路的特性阻抗增加（公式 2）。这会恶化高频下的信号反射。因此，希望使用在感兴趣频率范围内 Dk 对频率响应更平坦的材料。

图 4 显示，FR4 系列材料的 Dk 对频率响应变化相对较大。这就是为什么建议在高速/高频应用中避免使用这种材料（另一个原因是 FR4 系列印制电路板层压板的高介电损耗）。需要注意的是，大多数制造商仅在几个特定频率下指定 Dk 值。

介电常数随树脂含量变化

印制电路板材料是一种纤维/树脂复合材料，可以使用不同密度的编织物（图 5）。

图 5. 图片承蒙 NWES 公司提供。

树脂的介电常数小于纤维的介电常数。因此，增加树脂含量会降低印制电路板层压板的有效 Dk。图 6 显示了 FR408HR 层压板的介电常数如何随树脂含量变化。

图 6. 印制电路板层压板树脂含量与相对介电常数的关系

因此，除了测量频率外，层压板供应商还应指定相应的树脂含量。表 1 给出了在两个不同频率（1 MHz 和 1 GHz）下，不同结构和树脂含量的高 Tg FR4 层压板的介电常数。

表 1. 不同高 Tg FR4 层压板的介电常数

这张表清楚地显示，给定的层压板厚度可以有不同的介电常数。例如，厚度为 0.004 英寸的层压板的介电常数可以从 4.11 变化到 4.54。原因是，对于厚度为 0.004 英寸的层压板，其可用的变体使用了不同风格的玻璃纤维编织物，并且具有不同的玻璃纤维与树脂比例。

纤维编织效应

如图 5 所示，印制电路板的层压板和芯板是由浸渍了树脂的编织玻璃纤维制成的。这使得材料本质上是不均匀的和各向异性的。换句话说，板的某些区域可能是玻璃纤维占主导，而另一些区域则是树脂丰富的。这可能会在要求苛刻的应用中引起问题。为了更好地理解这一点，请考虑下面显示的两条走线。

图 7. 编织玻璃印制电路板材料的高清图像

在上图中，走线 1 位于纤维束上方，而走线 2 位于树脂丰富区域。这表明，根据位置的不同，同一块板上的两条走线可能会经历不同的有效介电常数。因此，同一块板上的两条路径的信号速度可能不相同，这可能会在高速板中导致时序偏移。有几种不同的玻璃纤维编织风格，其中一些如图 5 所示。正如您所见，材料的不均匀性取决于玻璃纤维编织的类型和编织中的间隙大小。像 106 和 1080 玻璃布这样编织稀疏的材料，与编织更紧密的风格相比，会产生更大的时序偏移。电磁干扰加剧和损耗问题也是编织稀疏材料的另外两个不良影响。

除了使用玻璃纤维分布更均匀的编织风格外，我们还可以使用一些走线布线技巧，使板上的 Dk 更加一致。例如，我们可以使走线与纤维经线/纬线呈一定角度，和/或使用锯齿形布线风格，以在一定程度上减轻玻璃纤维编织效应。请注意，锯齿形布线会消耗宝贵的板空间，并由于使用更长的走线而增加损耗，而只是部分解决了问题。要了解更多关于这种效应的信息，请参考这份 Isola 的演示文稿。

板的损耗角正切

下图 8 比较了一些印制电路板材料的损耗与频率性能。正如您所见，某些材料的损耗明显低于其他材料。这些信息可以帮助我们决定哪种材料在更高频率下可能表现更好。随着我们进入越来越高的频率，应使用损耗更低且提供更平坦的 Dk 对频率响应的材料。

图 8. 常见印制电路板材料的损耗与频率关系

图 9 显示了使用低损耗角正切的印制电路板层压板系统如何增加印制电路板的成本。作为参考，图中的 FR406 是 Isola 公司制造的高 Tg FR-4 材料。

图 9. 在印制电路板设计中，较低的损耗角正切通常需要更高的成本

关于 FR4 板的普遍误解

在此值得一提的是，与普遍认为的相反，“FR4” 并不指代具有已知介电常数或其他性能指标的特定印制电路板层压板。FR4 材料是一大类用作印制电路板基板的玻璃纤维编织树脂浸渍材料。将其用作层压板标识符有着历史渊源。在印制电路板技术早期，有两种原始材料选择：聚酰亚胺和环氧树脂基材料。术语 FR4 用于指代后者。“FR4” 逐渐意味着 “非聚酰亚胺”，但它并不指定介电常数或其他性能指标。

使用仿真工具和测量提高准确性

层压板供应商提供的数据以及我们在之前文章中讨论的一阶损耗方程，使我们能够对材料在感兴趣频率下的性能进行初步评估。然而，需要注意的是，当损耗对我们很重要时，我们通常需要分析工具来更准确地估计特定材料在工作频率范围内的损耗。如果涉及大量资金，我们可能甚至无法信任模拟性能。在这种情况下，最好使用实际电路构建测试板来检查材料的实际性能。确保从原型到批量生产的整个生产周期中使用相同的层压板也很重要。