FR-4 是高速 PCB 設計的最佳電路板材料選擇嗎?

當我們負責一個位于我們舒適區(qū)之外的項目時，我們都曾經(jīng)歷過一次或一次。對我來說，當我的老板讓我設計高速板時，那一天就來了。雖然我認為自己是一位經(jīng)驗豐富的電路設計師，但我知道高速 PCB 設計有許多限制，這些限制是您在設計普通電路時通常不會遇到的。最初，我花時間制作適用于高速設計的原理圖;然而，一旦完成，我就完全專注于了解我是否應該為我的高速PCB 原型使用 FR-4 或更專業(yè)的材料. 在深入了解我所學的知識之前，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工作時應注意的材料注意事項。

與其他設計相比，高速設計在信號完整性方面具有更嚴格的規(guī)范。盡管高速信號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信號完整性方程式的一部分。因此，用于高速設計的電路板材料需要具有嚴格公差的介電常數(shù)等特性，以幫助控制阻抗。如果允許阻抗在整個設計中發(fā)生變化，那么高速信號將在它們穿過線路時開始將能量反射回來，并且信號將失真。此外，有助于保持信號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崩潰的另一個重要特性。

FR-4：它的優(yōu)點和缺點

自從我設計印刷電路板以來，F(xiàn)R-4 一直是用于制造 PCB 的標準材料?；氐匠跫壴O計師的時代，我們甚至養(yǎng)成了將所有電路板稱為“FR-4”的壞習慣，無論它們是否由它構成。FR-4 是一種阻燃類型 4 玻璃纖維增強環(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固。它還具有良好的制造性能，使其成為構建 PCB 的理想材料。

FR-4 的缺點是當涉及到過大的功率、電壓或熱量時，它有操作限制。如果超過其操作限制，F(xiàn)R-4 的介電性能就會崩潰。這意味著材料的絕緣性會降低，它會開始導電。FR-4 的另一個問題是為高速設計保持穩(wěn)定的阻抗。這是因為 FR-4 的介電常數(shù)會隨著電路板的長度和寬度而變化。此外，隨著設計速度的提高，非高速設計中可接受的信號損失將增加到 FR-4 板中不希望的水平。

具體高速板材料與FR4相比如何

熱固性碳氫化合物和 PTFE 層壓板等專用高速板材料在高頻設計中將具有比 FR-4 更好、更可靠的特性。有一些權衡，我們將很快討論，但首先讓我們看一下高速板設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，信號損失成為一個更大的問題。高速設計板材料的耗散因數(shù)比 FR-4 低得多，一些材料(例如幾乎純的 PTFE 層壓板)要好一個數(shù)量級。這些較低的耗散因數(shù)是減少信號損失的一個重要因素。

2. 更嚴格地控制阻抗。FR-4 等傳統(tǒng) PCB 材料無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。一些高速設計板材料，如熱固性碳氫化合物層壓板，導熱性比 FR-4 好得多。如果您的設計要處理熱管理問題，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%，應考慮解決此問題。

5. 強大的尺寸穩(wěn)定性。對于具有嚴格公差的密集高速設計，對尺寸穩(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。在這種情況下，熱固性碳氫化合物層壓板可能是更好的選擇。