FR-4是用于高速PCB設(shè)計的最佳板材料選擇嗎？

當我們承擔著一個超出我們舒適范圍的項目的任務(wù)時，我們一次或一次都去過那里。對我來說，那天是我的老板要求我設(shè)計一個高速板的日子。雖然我認為自己是一位經(jīng)驗豐富的電路設(shè)計師，但我知道高速PCB設(shè)計具有許多在設(shè)計平均電路時通常不會遇到的限制。最初，我花時間來制作適合高速設(shè)計的原理圖；但是，一旦完成，我就會完全專注于了解我的高速PCB原型是否應(yīng)該使用FR-4或更專業(yè)的材料。在學(xué)習(xí)所學(xué)內(nèi)容之前，務(wù)必要了解本文中將“高速”指的是大于50 MHz的任何東西。這些是在此頻率范圍內(nèi)工作時應(yīng)注意的物質(zhì)注意事項。

高速設(shè)計在信號完整性方面的規(guī)范比其他設(shè)計更嚴格。盡管在高速信號的布線中要格外小心，以滿足這些要求，但必須理解，板材料本身是整個信號完整性方程式的一部分。因此，用于高速設(shè)計的電路板材料需要具有嚴格公差的介電常數(shù)等屬性，以幫助控制阻抗。如果允許阻抗在整個設(shè)計中變化，那么高速信號將在它們穿過線路時開始向回反射能量，并且信號將失真。同樣，期望有低耗散因數(shù)以幫助維持信號完整性。最后，熱穩(wěn)定性是確保介電性能不會破壞的另一個重要特性。

FR-4：優(yōu)點和缺點

自從我一直在設(shè)計印刷電路板以來，FR-4一直是制造PCB的標準材料。當初還是初級設(shè)計師時，我們甚至習(xí)慣于將所有板子稱為“ FR-4”，而不管它們是否由其制成。FR-4是一種阻燃4型玻璃纖維增強環(huán)氧層壓板。它是一種極具成本效益的材料，既是極好的電絕緣體，又在干燥和潮濕的條件下非常堅固。它還具有良好的制造性能，使其成為構(gòu)造PCB的理想材料。

FR-4的缺點是，在功率，電壓或熱量過多時，存在運行限制。如果超過其工作極限，FR-4的介電性能將會下降。這意味著材料的絕緣性將降低，它將開始導(dǎo)電。FR-4的另一個問題是在高速設(shè)計中保持穩(wěn)定的阻抗。這是因為FR-4的介電常數(shù)會在電路板的長度和寬度上變化。另外，隨著設(shè)計速度的提高，在非高速設(shè)計中可以接受的信號損耗將增加到FR-4板上的不良水平。

特定的高速板材料與FR4的比較

專用的高速板材料，例如熱固性碳氫化合物和PTFE層壓板，在更高頻率的設(shè)計中將比FR-4具有更好，更可靠的性能。我們將在稍后進行權(quán)衡取舍，但首先讓我們看一下高速電路板設(shè)計材料提供的一些優(yōu)勢：

1.減少信號損失。隨著傳輸線頻率的增加，信號損失成為更大的問題。高速設(shè)計板材料的耗散系數(shù)比FR-4低得多，其中某些材料（例如近乎純凈的PTFE層壓板）要好一個數(shù)量級。這些較低的耗散因數(shù)是減少信號損耗的重要因素。

2.更嚴格地控制阻抗。傳統(tǒng)的PCB材料（例如FR-4）不能像高速板材料那樣提供對介電常數(shù)（Dk）的精確控制。FR-4 Dk的變化范圍為+/- 10％或更多，而諸如PTFE之類的材料將其Dk公差保持在+/- 2％或更高。

3.更好的熱管理。某些高速設(shè)計板材料（例如，熱固性烴層壓板）的導(dǎo)熱性比FR-4好得多。如果您的設(shè)計要處理熱管理問題，那么這些板材料就是要研究的材料。

4.增加水分吸收。水具有介電特性，即使少量水分吸收到帶有高頻電路的PCB中，也會改變這些電路的電氣性能。盡管FR-4的吸濕率接近50％，但某些PTFE材料的吸濕率低至2％，應(yīng)考慮解決該問題。

5.堅固的尺寸穩(wěn)定性。對于具有嚴格公差的密集高速設(shè)計，對尺寸穩(wěn)定性的需求增加。盡管FR-4以其尺寸穩(wěn)定性而聞名，但它缺乏高速材料提供的其他優(yōu)勢。在這種情況下，熱固性烴層壓板可能是更好的選擇。