了解PCB材料參數(shù)（如相對(duì)介電常數(shù)和損耗角正切）可以讓我們討論在設(shè)計(jì)高速/高頻應(yīng)用時(shí)選擇正確材料的一些重要考慮因素。

PCB材料的重要參數(shù)

影響生產(chǎn)線衰減的一些最重要的材料參數(shù)是：

• 相對(duì)介電常數(shù) （εr或介電材料的 Er 或 Dk）

• 電介質(zhì)的損耗角正切（tan（δ） 或 Df）

• 受趨膚效應(yīng)和表面粗糙度影響的導(dǎo)體電阻

• 最后是PCB的玻璃纖維編織組合物。

充分了解這些特性和傳輸線中的損耗機(jī)制可以幫助我們?yōu)槲覀兊膽?yīng)用選擇合適的 PCB 材料。材料選擇是PCB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)人員可以從數(shù)十種受控 Dk 和低損耗 PCB 材料中進(jìn)行選擇。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 tan（δ） 材料以減少損失

對(duì)于低損耗傳輸線，介電損耗（以dB/英寸為單位）由以下公式給出：

其中 f 是頻率，單位為 GHz。可以看出，介電損耗直接由材料的介電常數(shù)和損耗角正切決定。因此，我們可以使用具有較低棕褐色（δ）和ε的材料r限制 ?d盡可能多。推薦用于超高 Gbps 收發(fā)器的三種材料選擇是 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。

使用低 Dk 材料來減少電路板厚度

為為了更好地理解使用低 Dk 材料如何減少電路板厚度，請(qǐng)考慮圖 2 所示的帶狀線。

帶狀線配置

IPC推薦的帶狀線特征阻抗最流行的近似值是：

• t 是金屬厚度 （mil）

• w 是線寬 （mil）

• b 是平面間距 （mil）

對(duì)于固定的 Z

對(duì)于固定的 Z0和跡線寬度 w，如果我們使用具有更大ε的材料r，那么我們必須增加平面之間的間距。換句話說，更大的εr可以增加板材的整體厚度。在具有許多信號(hào)層的高密度電路板中，這可以顯著增加電路板厚度。較厚的電路板意味著您的設(shè)計(jì)需要具有更大縱橫比的通孔。過孔的縱橫比是它的長(zhǎng)度除以它的直徑。

例如，如果您的板厚度為 0.2 英寸，通孔鉆直徑為 0.02 英寸，則縱橫比為 10：1。擁有大縱橫比的難點(diǎn)是什么？回想一下，為了提供電氣連接，通孔的內(nèi)部需要使用電鍍液用銅覆蓋。圖 3 顯示了縱橫比為 15：1 的電鍍孔的橫截面。

高長(zhǎng)寬比電鍍孔的橫截面，比例為 15：1

大多數(shù) PCB 制造商都能夠創(chuàng)建縱橫比介于 6：1 和 8：1 之間的通孔.隨著縱橫比的提高，電鍍變得越來越困難，因?yàn)橥淄驳膬?nèi)部可以有更薄的銅涂層。這甚至?xí)惯^孔的中心在熱應(yīng)力下更容易開裂。因此，對(duì)于較大的縱橫比，您可能不得不使用更昂貴的 PCB 制造技術(shù)，并且最終電路板存在可靠性問題。選擇低 Dk 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

PCB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 PCB 層壓板的介電常數(shù)的頻率依賴性。

介電常數(shù)與頻率的函數(shù)關(guān)系

Dk 變體的后果是什么？介電常數(shù)影響兩個(gè)重要參數(shù)：特性阻抗和波速。信號(hào)通過傳輸線的傳播速度由下式給出：

其中 

其中 c 是真空中的光速。

由于 Dk 的變化，信號(hào)的不同頻率分量可能會(huì)經(jīng)歷略有不同的信號(hào)速度，從而導(dǎo)致信號(hào)色散。此外，隨著 Dk 隨頻率降低，線路的特征阻抗增加（公式 2）。因此，這會(huì)降低較高頻率下的信號(hào)反射。因此，最好使用在目標(biāo)頻率范圍內(nèi)具有更平坦的 Dk 與頻率響應(yīng)的材料。

圖 4 顯示 FR4 系列材料的 Dk 與頻率響應(yīng)的變化相對(duì)較大。這就是為什么建議在高速/高頻應(yīng)用中避免使用此類材料的原因（另一個(gè)原因是 FR4 系列 PCB 層壓板的高介電損耗）。請(qǐng)注意，不幸的是，大多數(shù)制造商僅在幾個(gè)特定頻率下指定 Dk 值。

介電常數(shù)隨樹脂含量而變化

PCB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

樹脂的介電常數(shù)小于纖維的介電常數(shù)。這就是為什么增加樹脂含量會(huì)降低 PCB 層壓板的有效 Dk 的原因。圖6顯示了FR408HR層壓板的介電常數(shù)如何隨樹脂含量而變化。

相對(duì)介電常數(shù)與PCB層壓樹脂含量的關(guān)系

因此，除了測(cè)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 Hi Tg FR4 層壓板在兩種不同頻率（1 MHz 和 1 GHz）下不同結(jié)構(gòu)和樹脂含量的介電常數(shù)。

不同Hi Tg FR4層壓板的電常數(shù)

該表清楚地表明，給定的層壓板厚度可以具有不同的介電常數(shù)。例如，0.004 英寸厚層壓板的介電常數(shù)可以從 4.11 到 4.54 不等。原因是 0.004 英寸厚層壓板的可用變體使用不同樣式的編織玻璃，并且具有不同的玻璃與樹脂比例。

纖維編織效果

如圖 5 所示，PCB 層壓板和芯由浸有樹脂的編織玻璃制成。這使得材料本質(zhì)上是不均勻的和各向異性的。換句話說，電路板的某些區(qū)域可能以玻璃為主，而其他一些區(qū)域則富含樹脂。這可能會(huì)在要求苛刻的應(yīng)用程序中引起問題。為了更好地理解這一點(diǎn)，請(qǐng)考慮下面顯示的兩個(gè)跟蹤。

在上圖中，跡線 1 位于纖維束上，而跡線 2 位于富含樹脂的區(qū)域。這表明，根據(jù)位置的不同，同一電路板上的兩條走線可能會(huì)經(jīng)歷不同的有效介電常數(shù)。因此，同一電路板上兩條路徑的信號(hào)速度可能不同，這可能導(dǎo)致高速電路板中的時(shí)序偏移。有幾種不同的

在上圖中，跡線 1 位于纖維束上，而跡線 2 位于富含樹脂的區(qū)域。這表明，根據(jù)位置的不同，同一電路板上的兩條走線可能會(huì)經(jīng)歷不同的有效介電常數(shù)。因此，同一電路板上兩條路徑的信號(hào)速度可能不同，這可能導(dǎo)致高速電路板中的時(shí)序偏移。有幾種不同的玻璃編織樣式，其中一些如圖 5 所示。如您所見，材料的不均勻性取決于玻璃編織的類型和編織間隙的大小。稀疏編織的材料，如 106 和 1080 玻璃布，與更緊密的編織樣式相比，會(huì)產(chǎn)生更大的時(shí)間偏差。加劇的EMI和損耗問題是稀疏編織材料的另外兩個(gè)不良影響。

除了使用玻璃分布更均勻的玻璃編織樣式外，我們還可以使用一些走線布線技術(shù)來獲得更一致的 Dk。例如，我們可以以相對(duì)于纖維翹曲/填充的角度布線和/或使用鋸齒形布線樣式來在一定程度上減輕玻璃編織效應(yīng)。請(qǐng)注意，鋸齒形布線會(huì)占用寶貴的電路板空間，并因使用較長(zhǎng)的走線而增加損耗，而只能部分解決問題。