高速PCB材料选择的终极指南

高速PCB材料选择的终极指南

在快速发展的技术中，印刷电路板是任何电子设备或装置的基础。它们适用于从极低电流到高功耗的应用设计。高速PCB在设计、材料、堆叠和性能方面与简单的PCB不同。它们应用于国防、航空航天和网络等行业。这些电路板经过精心设计，可实现高性能，同时将信号损失/反射降至最低。在设计高速PCB之前，我们应该全面了解高速设计的PCB材料以及高速PCB材料的特性。

什么是高速PCB？

高速PCB，顾名思义就是运行速度从几MHz到GHz的高速印刷电路板。高速PCB必须满足复杂应用的高要求，因此其制造过程必须高效。为了使高速电路板不易出现EMI-EMC问题，高速PCB材料选择标准将起到决定性作用。

在本文中，我们将探讨各种高速PCB材料特性，为设计工程师提供选择标准的完整指导。他们将了解高速PCB材料知识，并利用这些知识与项目规范相关联。

高速PCB材料特性

市场上有不同类型的高速PCB材料，如FR4、PET、PTFE等等。这些材料具有不同的热、机械和电气特性，在选择高速PCB材料时应考虑这些特性以实现正确的性能。

热性能

• 玻璃化转变温度（Tg）：这是PCB基材从玻璃状、刚性状态转变为软化状态的温度。当热量降低时，这种变化是可逆的。
• 分解温度(Td)：材料发生化学分解的温度范围，此时PCB会损失一定比例的总质量。根据工作温度，Td应始终高于Tg。
• 热膨胀系数（CTE）：CTE是PCB基板加热至超过其Tg时的膨胀率。高速设计的PCB材料的CTE将上升。由于基板的CTE高于铜，因此在增加额外热量时会引起问题。
• 热导率(k):这是高速设计的PCB材料的散热性能。一般来说，导热率越高越好，因为它有助于更快地传导热量，从而更好地保持电子设备的功能。

电气特性

• 介电常数(Dk):它等于E/E0（材料介电常数/自由空间介电常数）的比率。Dk也称为相对磁导率。随着频率的增加，介电常数会降低。大多数PCB材料的Dk范围为2.5至4.5。
• 耗散因数（Df）：Df越低，介电损耗越小。它也被称为损耗角正切(Tan δ)，即ESR与无功电流之间的相位角。对于模拟和数字电路，损耗角正切的影响不同。它在模拟信号中更为重要。
• 体积电阻率：它用(ρ)表示。用于高速应用的PCB介电材料对绝缘体的抵抗力是体积电阻。用于高速应用的PCB介电材料应该对外部变量冷、热和湿气具有高抵抗力。电阻率高的材料会阻止电荷移动，而电阻率低的材料则允许电荷更自由地移动。

机械性能

• 抗弯强度：也称为弯曲强度或断裂模量，决定了高速应用中PCB介电材料承受物理应力而不发生断裂的能力。以kg/m²为单位。
• 分层时间：当暴露于高温阈值时，PCB层彼此分离所需的时间。IPC-650定义了一种确定高速PCB材料分层时间(TMA)的方法。
• 密度：高速应用的PCB介电材料和PCB密度以克/立方厘米和磅/立方英寸为单位。

化学性质

• 吸湿率(%)：适合高速设计的低吸湿性PCB材料。一般使用的FR4等级具有50%的额定值。
• 可燃性规格(UL94)：对于高速PCB材料，UL94是UL公司制定的一个标准，规定PCB在高温下燃烧时间不得超过10秒。

高速PCB材料选择的重要考虑因素

高速电路板旨在实现信号完整性、电源完整性、热阻、质量和可靠性的高性能。高速PCB材料选择如此之多，工程师要找到最佳的高速PCB材料本身就是一项挑战。每种产品都有其独特的应用、操作领域、成本限制、机械挑战和法规遵从性。在分析最佳PCB材料选择时，还应牢记以下几点。

• 匹配的Dk：在PCB中，高速PCB材料的不同介电常数应该相互匹配。如果我们匹配Dk，则因Dk不匹配而导致维修和故障的可能性就会降低。
• 匹配CTE系数：与Dk一样，我们应该确保在制造过程中使用的不同基板的热膨胀系数相匹配，否则当温度升高时，不匹配的CTE会影响膨胀率，从而导致不一致。CTE的不匹配也会影响Dk值。
• 避免使用FR4材料，忽视低成本：对于高速应用的PCB介电材料，我们应避免使用FR4作为高速PCB材料。在小于1GHz的频率范围内，FR4表现出较高的介电损耗。我们倾向于选择现成的高速PCB材料进行制造。它适用于低频板和应用。
• 优选导电阳极丝（CAF）：CAF是导致PCB故障的金属膜。建议选择合适的导电箔。
• 机械应力：每种产品都必须设计为可制造产品，能够承受EMI/EMC问题、信号反射、振动、高温、柔韧性和冲击。在物理应力至关重要的应用中，必须判断机械性能。
• 严格的阻抗公差：当PCB设计用于高频用途时，噪声引起的信号反射会导致阻抗匹配不平衡。为了保持恒定的Dk值，我们应该确保即使频率发生变化，阻抗也能得到控制。
• 收费标准：在选择高速PCB材料上投入大量资金始终是一个不错的决定。因为我们可以确保故障率和缺陷率很低，可以忽略不计。我们支付时，质量可靠的基板（例如高速PCB材料）非常有用。如果产品设计有预算限制，最好与供应商协商。有时我们可以预测样品后的数量，并要求供应商降低制造成本，因为未来会有高速PCB材料的大宗订单。
• 制造限制：与制造厂的合作是讨论和寻找蚀刻、钻孔、高速PCB材料层堆叠挑战和阻抗值的解决方案的优先步骤。这是制造过程的一个重要部分，可以避免与高速PCB材料相关的任何返工费用或保修问题。

结语

有了这份高速PCB材料选择指南，设计人员将获得全面支持，决定哪种材料适合高速电路板。他们可以详细比较每种高速PCB材料的特性。还有其他因素，如层堆叠、布线和信号完整性，这些因素对于减少高速设计中的损耗也至关重要。仿真工具也为模拟PCB性能提供支持。

一些特殊的高速PCB材料，如PTFE基层压板、Isola I-speed、Astra、聚酰亚胺板和Megatron可以支持高速PCB设计要求。满足严格的RoHS标准鼓励使用更耐热、更可靠的高速PCB材料。无卤材料将氯和溴含量降低至约900ppm。此外，无铅材料通过使用不同的固化工艺（而不是传统的FR-4方法）去除PCB中的铅。还有其他高速PCB材料选项可供参考。我们可以借鉴更有经验的行业制造商的专家建议，以简化设计流程。