PCB設(shè)計(jì)如何快速選定性能最優(yōu)、性價(jià)比最高的材料

過去，為制造PCB選擇材料時(shí)，一律都使用FR-4，無需多想。因?yàn)橹笆褂玫?a href="http://www.3532n.com/tags/時(shí)鐘/" target="_blank">時(shí)鐘頻率較低，信號(hào)的上升時(shí)間較慢，所以基板的性能并不會(huì)造成問題。如今設(shè)計(jì)使用的頻率動(dòng)輒就是數(shù)千兆比特，上升速度極快且時(shí)間余量極少，所以精準(zhǔn)選擇材料就成了決定產(chǎn)品性能表現(xiàn)的關(guān)鍵。

人們對(duì)選擇材料流程的把控也就隨之更加嚴(yán)苛。曾經(jīng)用于制造多層PCB的材料會(huì)吸收高頻率并降低邊緣速率，于是成為造成信號(hào)完整性問題的主要原因。但是，并不是所有人都在設(shè)計(jì)走在技術(shù)前沿的PCB，有時(shí)我們往往會(huì)過度指定對(duì)產(chǎn)品的要求，可能導(dǎo)致生產(chǎn)成本上升。

多年來，行業(yè)已經(jīng)開發(fā)出了大量用于制造多層PCB的材料。在iCD的介質(zhì)材料庫(kù)中，現(xiàn)在已有來自60多家不同制造商生產(chǎn)的700多種介質(zhì)剛性、介質(zhì)撓性材料可供選擇。如果每個(gè)目標(biāo)應(yīng)用都使用了適當(dāng)?shù)牟牧?，就可以在滿足項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和性能目標(biāo)的同時(shí)，用盡可能的最低成本制造出想要的PCB。

電磁能可以在真空或空氣中以光速傳播。但隨著磁場(chǎng)被包封在PCB媒質(zhì)中的介質(zhì)材料內(nèi)，電磁能的傳播速度會(huì)放緩。當(dāng)電磁能在周圍的介質(zhì)材料中傳播時(shí)，PCB中的信號(hào)線只是用來引導(dǎo)波。信號(hào)搭乘在這個(gè)載波上。決定電磁能傳播速率(v)的是介質(zhì)材料：

c表示（自由空間內(nèi)）光的傳播速度，Dk表示材料的介電常數(shù)（FR-4的介電常數(shù)約為4.0）?？諝獾腄k值是1。因此，電磁能在FR-4中的傳播速率大約是光速的一半，也就是每納秒6英寸。

介質(zhì)材料的電氣特性可以用兩個(gè)術(shù)語描述：

介電常數(shù)(Dk)或相對(duì)電容率(Er)表示在所施加電壓下，貯存在材料中的電磁能（與貯存在真空中的電磁能）之比。

這一術(shù)語表示了材料如何增加電容以及如何減慢電磁能在材料中的傳播速率。

損耗因數(shù)(Df)或者介電損耗、損耗角正切值(tan δ)是介質(zhì)材料的參數(shù)，表示材料自身的電磁能耗散值。

介電常數(shù)和介電損耗不是傳輸線幾何形狀的函數(shù)，而是在給定頻率下，PCB疊層中傳播信號(hào)的介質(zhì)材料的函數(shù)。這些機(jī)制會(huì)導(dǎo)致因頻率產(chǎn)生損耗，且會(huì)降低信號(hào)速度。阻抗不連續(xù)和介質(zhì)材料損耗會(huì)影響到在媒介中傳播并被接收端接收的信號(hào)質(zhì)量。PCB常用的玻璃環(huán)氧樹脂材料(FR-4)在頻率低于1 GHz的數(shù)字應(yīng)用中，其損耗可以忽略不計(jì)。但在較高頻率下，其損耗就會(huì)引起嚴(yán)重問題。

如果信號(hào)的上升時(shí)間、下降時(shí)間較短，電磁波就需要以更快的速度傳播，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，Dk值需要足夠低。如果在電場(chǎng)中使用的材料具有較高的介電常數(shù)，那么在給定體積的介質(zhì)內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度就會(huì)顯著降低。因此高速設(shè)計(jì)最好使用低Dk值的材料。相反，高Dk值的材料非常適用于緊縮電場(chǎng)，將其置于平面之間可增加平面電容。

高效的介質(zhì)材料可在最小程度地產(chǎn)生熱量損耗的前提下支持不同電荷的傳輸。介質(zhì)中產(chǎn)生能量損耗的形式有兩種：

導(dǎo)電損耗指的是電荷在流經(jīng)材料的過程中產(chǎn)生的能量損耗。

介電損耗是指電荷在交變電磁場(chǎng)中隨著正負(fù)兩極切換方向而運(yùn)動(dòng)所耗散的能量。

在極化機(jī)制產(chǎn)生的諧振頻率附近，介電損耗值特別高，因?yàn)闃O化滯后于施加的電場(chǎng)，導(dǎo)致電場(chǎng)與介質(zhì)極化之間的相互作用，從而導(dǎo)致散熱（圖1）。

圖1:介電常數(shù)和介電損耗與諧振頻率的對(duì)比

但也要考慮到溫度因素的影響。最重要的因素就是玻璃轉(zhuǎn)化溫度(Tg)，即固態(tài)玻璃開始轉(zhuǎn)變成非晶態(tài)樹脂、環(huán)氧樹脂的溫度。

如果回流焊溫度長(zhǎng)時(shí)間超過Tg，材料在Z軸上就會(huì)迅速膨脹，同時(shí)材料機(jī)械性能也會(huì)迅速衰減，也就是說材料內(nèi)的強(qiáng)度和鍵合程度都會(huì)減弱。

高Tg值保證了材料不會(huì)在回流焊過程中出現(xiàn)孔壁開裂和焊盤破裂的情況。標(biāo)準(zhǔn)FR-4的Tg是135~170℃，而高速材料的Tg通常要高于200℃。

分解溫度(Td)是指材料開始發(fā)生化學(xué)分解的溫度。超過了這一溫度，材料便再也無法恢復(fù)到原樣。大多數(shù)材料的Td是320℃，所以不成問題。

熱膨脹系數(shù)(coefficient of thermal expansion，簡(jiǎn)稱CTE)表示材料隨著溫度升高在Z軸上的膨脹速率。CTE應(yīng)盡可能保持在較低水平(<70 ppm)。

還需要考慮材料的許多其他性能，而材料制造商清楚地了解針對(duì)高速設(shè)計(jì)的材料組合。好在具有低Dk值的材料同時(shí)具有較低的Df、較高的Tg和Td，正是高速設(shè)計(jì)所需的性能。所以只需要考慮Dk和Df值就可以選擇到大致適當(dāng)?shù)牟牧稀?/p>

要從這么多材料中進(jìn)行選擇，哪種材料最適合某一具體產(chǎn)品？低成本通常也意味著低質(zhì)量。但是低良率帶來的代價(jià)也會(huì)導(dǎo)致最終的材料成本上升。

介質(zhì)材料的選擇通常取決于數(shù)字信號(hào)的頻率和上升時(shí)間，高頻應(yīng)用最適合使用損耗值較低的材料。這類材料通常具有較低的介電常數(shù)，所以信號(hào)傳播速率也會(huì)更快。表1給出了介質(zhì)材料的損耗曲線范圍。

表1：損耗曲線范圍

圖2展示了Df<0.005的介質(zhì)材料損耗值曲線。如表1所示，iCD materials planner中有5條默認(rèn)曲線，展示了從基本的FR-4到超低損耗材料的損耗值。

基于這個(gè)表格，設(shè)計(jì)師可以根據(jù)頻率、損耗因數(shù)（損耗）和介電常數(shù)來對(duì)比介質(zhì)材料。

圖2：超低損耗介質(zhì)材料的損耗曲線(來源：iCD Materials Planner)

另一個(gè)問題是，對(duì)于不同的制造商而言，本土與境外可獲取的材料也有所不同。一般來講，樣品板都是在本地生產(chǎn)加工，對(duì)于批量生產(chǎn)，在亞洲制造PCB是更經(jīng)濟(jì)的選擇?？梢栽O(shè)定PCB制造商整個(gè)材料、工廠庫(kù)存概況，便于對(duì)比不同工廠。

圖3展示了某家亞洲制造商介質(zhì)材料的損耗性能。設(shè)計(jì)師可以從有庫(kù)存的各類材料中選擇最適合用于高速應(yīng)用的材料，一目了然。在選擇材料過程中，還是要進(jìn)行性價(jià)比評(píng)估，這樣才能保證選擇到成本最低的材料。還需要注意的是，材料成本會(huì)隨著訂購(gòu)數(shù)量的變化而有所不同。

圖3：介質(zhì)材料的損耗曲線示例(來源：iCD Materials Planner)

匹配介電常數(shù)的材料性能值也很重要。不同材料的介電常數(shù)之間，哪怕存在著微小差異，也會(huì)嚴(yán)重影響材料的阻抗、線寬、線距，這些會(huì)產(chǎn)生不同的損耗。材料的介電常數(shù)決定了信號(hào)在媒介中的傳播速度。如果基板不同層之間的Dk值不同，總線的信號(hào)時(shí)序也會(huì)出現(xiàn)問題。設(shè)計(jì)師應(yīng)該考慮產(chǎn)品中可以使用插入式材料，以匹配疊層中每層結(jié)構(gòu)的阻抗和Dk值。

PCB設(shè)計(jì)師需要在海量備選材料中快速選定性能最優(yōu)、性價(jià)比最高的材料。在如此龐雜的規(guī)格單和數(shù)據(jù)表中檢索適當(dāng)?shù)牟牧戏浅：臅r(shí)。不僅需要基于制造商的產(chǎn)品線，更重要的是，還需要基于制造商的首選庫(kù)存，對(duì)介質(zhì)材料直接進(jìn)行視覺比較，這種方式無疑是最有效的選材方法。

關(guān)鍵要點(diǎn)：

用于制造多層PCB的材料會(huì)吸收高頻率并降低邊緣速率，于是成為造成信號(hào)完整性問題的主要原因。

如果每個(gè)目標(biāo)應(yīng)用都使用了適當(dāng)?shù)牟牧?，就可以在滿足項(xiàng)目的設(shè)計(jì)目標(biāo)和性能目標(biāo)的同時(shí)，用最低的成本制造出符合要求的PCB。

電磁能在真空或空氣中以光速傳播。但隨著磁場(chǎng)被包封在PCB媒質(zhì)的介質(zhì)材內(nèi)料，電磁能的傳播速度會(huì)放緩。電磁能在FR-4中的傳播速率大約是光速的一半，也就是每納秒6英寸。

PCB常用的玻璃環(huán)氧樹脂材料(FR-4)在頻率低于1 GHz的數(shù)字應(yīng)用中，其損耗可以忽略不計(jì)。但在較高頻率下，其損耗會(huì)引起嚴(yán)重問題。

高速設(shè)計(jì)最好使用低Dk材料。相反，高Dk材料適用于緊縮電場(chǎng)，將其置于平面之間可增加平面電容。

介電常數(shù)(Dk)表示在所施加電壓下，儲(chǔ)存在材料中的電磁能量。

損耗因數(shù)(Df)表示材料固有的電磁能耗散值。

導(dǎo)電損耗是指電荷在流經(jīng)材料的過程中產(chǎn)生的能量損耗。

介電損耗是指電荷在交變電磁場(chǎng)中隨著正負(fù)兩極切換方向而運(yùn)動(dòng)所耗散的能量。

在諧振頻率附近，介電損耗特別高，導(dǎo)致電場(chǎng)與介質(zhì)極化之間的相互作用，產(chǎn)生散熱。

具有低Dk的材料同時(shí)具有較低的Df、較高的Tg和Td，正是高速設(shè)計(jì)所需的性能。