PCB设计如何快速选定性能最优、性价比最高的材料

过去，为制造PCB选择材料时，一律都使用FR-4，无需多想。因为之前使用的时钟频率较低，信号的上升时间较慢，所以基板的性能并不会造成问题。如今设计使用的频率动辄就是数千兆比特，上升速度极快且时间余量极少，所以精准选择材料就成了决定产品性能表现的关键。

人们对选择材料流程的把控也就随之更加严苛。曾经用于制造多层PCB的材料会吸收高频率并降低边缘速率，于是成为造成信号完整性问题的主要原因。但是，并不是所有人都在设计走在技术前沿的PCB，有时我们往往会过度指定对产品的要求，可能导致生产成本上升。

多年来，行业已经开发出了大量用于制造多层PCB的材料。在iCD的介质材料库中，现在已有来自60多家不同制造商生产的700多种介质刚性、介质挠性材料可供选择。如果每个目标应用都使用了适当的材料，就可以在满足项目的设计和性能目标的同时，用尽可能的最低成本制造出想要的PCB。

电磁能可以在真空或空气中以光速传播。但随着磁场被包封在PCB媒质中的介质材料内，电磁能的传播速度会放缓。当电磁能在周围的介质材料中传播时，PCB中的信号线只是用来引导波。信号搭乘在这个载波上。决定电磁能传播速率(v)的是介质材料：

c表示（自由空间内）光的传播速度，Dk表示材料的介电常数（FR-4的介电常数约为4.0）。空气的Dk值是1。因此，电磁能在FR-4中的传播速率大约是光速的一半，也就是每纳秒6英寸。

介质材料的电气特性可以用两个术语描述：

介电常数(Dk)或相对电容率(Er)表示在所施加电压下，贮存在材料中的电磁能（与贮存在真空中的电磁能）之比。

这一术语表示了材料如何增加电容以及如何减慢电磁能在材料中的传播速率。

损耗因数(Df)或者介电损耗、损耗角正切值(tan δ)是介质材料的参数，表示材料自身的电磁能耗散值。

介电常数和介电损耗不是传输线几何形状的函数，而是在给定频率下，PCB叠层中传播信号的介质材料的函数。这些机制会导致因频率产生损耗，且会降低信号速度。阻抗不连续和介质材料损耗会影响到在媒介中传播并被接收端接收的信号质量。PCB常用的玻璃环氧树脂材料(FR-4)在频率低于1 GHz的数字应用中，其损耗可以忽略不计。但在较高频率下，其损耗就会引起严重问题。

如果信号的上升时间、下降时间较短，电磁波就需要以更快的速度传播，为了实现这一目标，Dk值需要足够低。如果在电场中使用的材料具有较高的介电常数，那么在给定体积的介质内电场强度就会显著降低。因此高速设计最好使用低Dk值的材料。相反，高Dk值的材料非常适用于紧缩电场，将其置于平面之间可增加平面电容。

高效的介质材料可在最小程度地产生热量损耗的前提下支持不同电荷的传输。介质中产生能量损耗的形式有两种：

导电损耗指的是电荷在流经材料的过程中产生的能量损耗。

介电损耗是指电荷在交变电磁场中随着正负两极切换方向而运动所耗散的能量。

在极化机制产生的谐振频率附近，介电损耗值特别高，因为极化滞后于施加的电场，导致电场与介质极化之间的相互作用，从而导致散热（图1）。

图1:介电常数和介电损耗与谐振频率的对比

但也要考虑到温度因素的影响。最重要的因素就是玻璃转化温度(Tg)，即固态玻璃开始转变成非晶态树脂、环氧树脂的温度。

如果回流焊温度长时间超过Tg，材料在Z轴上就会迅速膨胀，同时材料机械性能也会迅速衰减，也就是说材料内的强度和键合程度都会减弱。

高Tg值保证了材料不会在回流焊过程中出现孔壁开裂和焊盘破裂的情况。标准FR-4的Tg是135~170℃，而高速材料的Tg通常要高于200℃。

分解温度(Td)是指材料开始发生化学分解的温度。超过了这一温度，材料便再也无法恢复到原样。大多数材料的Td是320℃，所以不成问题。

热膨胀系数(coefficient of thermal expansion，简称CTE)表示材料随着温度升高在Z轴上的膨胀速率。CTE应尽可能保持在较低水平(<70 ppm)。

还需要考虑材料的许多其他性能，而材料制造商清楚地了解针对高速设计的材料组合。好在具有低Dk值的材料同时具有较低的Df、较高的Tg和Td，正是高速设计所需的性能。所以只需要考虑Dk和Df值就可以选择到大致适当的材料。

要从这么多材料中进行选择，哪种材料最适合某一具体产品？低成本通常也意味着低质量。但是低良率带来的代价也会导致最终的材料成本上升。

介质材料的选择通常取决于数字信号的频率和上升时间，高频应用最适合使用损耗值较低的材料。这类材料通常具有较低的介电常数，所以信号传播速率也会更快。表1给出了介质材料的损耗曲线范围。

表1：损耗曲线范围

图2展示了Df<0.005的介质材料损耗值曲线。如表1所示，iCD materials planner中有5条默认曲线，展示了从基本的FR-4到超低损耗材料的损耗值。

基于这个表格，设计师可以根据频率、损耗因数（损耗）和介电常数来对比介质材料。

图2：超低损耗介质材料的损耗曲线(来源：iCD Materials Planner)

另一个问题是，对于不同的制造商而言，本土与境外可获取的材料也有所不同。一般来讲，样品板都是在本地生产加工，对于批量生产，在亚洲制造PCB是更经济的选择。可以设定PCB制造商整个材料、工厂库存概况，便于对比不同工厂。

图3展示了某家亚洲制造商介质材料的损耗性能。设计师可以从有库存的各类材料中选择最适合用于高速应用的材料，一目了然。在选择材料过程中，还是要进行性价比评估，这样才能保证选择到成本最低的材料。还需要注意的是，材料成本会随着订购数量的变化而有所不同。

图3：介质材料的损耗曲线示例(来源：iCD Materials Planner)

匹配介电常数的材料性能值也很重要。不同材料的介电常数之间，哪怕存在着微小差异，也会严重影响材料的阻抗、线宽、线距，这些会产生不同的损耗。材料的介电常数决定了信号在媒介中的传播速度。如果基板不同层之间的Dk值不同，总线的信号时序也会出现问题。设计师应该考虑产品中可以使用插入式材料，以匹配叠层中每层结构的阻抗和Dk值。

PCB设计师需要在海量备选材料中快速选定性能最优、性价比最高的材料。在如此庞杂的规格单和数据表中检索适当的材料非常耗时。不仅需要基于制造商的产品线，更重要的是，还需要基于制造商的首选库存，对介质材料直接进行视觉比较，这种方式无疑是最有效的选材方法。

关键要点：

用于制造多层PCB的材料会吸收高频率并降低边缘速率，于是成为造成信号完整性问题的主要原因。

如果每个目标应用都使用了适当的材料，就可以在满足项目的设计目标和性能目标的同时，用最低的成本制造出符合要求的PCB。

电磁能在真空或空气中以光速传播。但随着磁场被包封在PCB媒质的介质材内料，电磁能的传播速度会放缓。电磁能在FR-4中的传播速率大约是光速的一半，也就是每纳秒6英寸。

PCB常用的玻璃环氧树脂材料(FR-4)在频率低于1 GHz的数字应用中，其损耗可以忽略不计。但在较高频率下，其损耗会引起严重问题。

高速设计最好使用低Dk材料。相反，高Dk材料适用于紧缩电场，将其置于平面之间可增加平面电容。

介电常数(Dk)表示在所施加电压下，储存在材料中的电磁能量。

损耗因数(Df)表示材料固有的电磁能耗散值。

导电损耗是指电荷在流经材料的过程中产生的能量损耗。

介电损耗是指电荷在交变电磁场中随着正负两极切换方向而运动所耗散的能量。

在谐振频率附近，介电损耗特别高，导致电场与介质极化之间的相互作用，产生散热。

具有低Dk的材料同时具有较低的Df、较高的Tg和Td，正是高速设计所需的性能。

匹配介电常数的材料性能值至关重要。不同材料的介电常数之间哪怕存在着微小差异，也会严重影响材料的阻抗、线宽、线距，因而产生不同的损耗值。

材料的介电常数决定了信号在媒介中的传播速度。如果基板不同层之间的Dk值不同，总线的信号时序也会出现问题。

编辑：黄飞