高速PCB和系统设计：电路板材料注意事项

在为高速PCB和系统设计选择材料时，我们面临着类似的情况。由于对保持信号完整性的要求越来越严格，因此与标准设计相比，高速设计对电路板材料的要求更高。在这些设计中，板材料本身已成为整个信号完整性方程式的一部分，必须将其介电常数保持在更严格的公差范围内，以帮助控制阻抗。没有这种控制，高速信号可能会相互反射，从而导致串扰和不良信号性能。那么问题是，在为高速板选择材料时我们应该考虑什么？

高速PCB和系统设计应使用哪种材料？

在开始决定要为电路板选择哪种PCB材料之前，您必须首先明确定义电路板的用途以及用途。例如，信号性能可能会受到所选材料的影响，这些选择也会影响最终电路板的耐用性和成本。将自己列出要考虑的内容可能会有所帮助，因此，以下是一些入门的点子：

l 这将是一个具有受控阻抗问题的高速设计吗？

l 电路板的功能是否存在主要的散热问题？

l 该板是否可用于短期消费产品或卫星和航天器等长期产品？

l 该板是否会在恶劣的环境中使用？

l 最终价格是主要考虑因素吗？

一旦确定了电路板将要做什么以及将用于什么用途，就可以更好地决定要选择哪种PCB材料。PCB层压板使用许多不同类型的材料，可以将它们分为普通的产品系列，包括：

l 环氧树脂：通常称为FR-4，这些材料用于标准PCB制造。

l 增强型环氧树脂：这些材料具有更好的电性能，非常适合复杂的多层高速设计。

l 聚酰亚胺：这些材料非常坚固，并具有出色的热和机械性能，使其非常适合苛刻环境中的高级应用。

l PTFE（聚四氟乙烯）：也被称为“ Teflon”，这些材料的介电损耗因子非常低，使其非常适合高频RF应用。

在每个系列中都有不同的分类，产品和品牌名称。尽管FR-4被认为是PCB构造中使用的“标准”材料，但实际上FR-4有许多不同的分类可供选择。

 

为什么FR-4并非总是高速PCB材料的最佳选择

FR-4或其变体之一，在印刷电路板的制造中传统上已使用多年。它非常具有成本效益，提供了良好的电气绝缘，并且在干燥和中等湿度的条件下坚固。它也是制造商易于使用的材料之一，这也增加了其流行度。但是，当FR-4超出其运行极限时，它可能会急忙表现出一些问题：

l 无法控制阻抗：FR-4不能像高速板材料那样严格控制介电常数。使用这些材料将使介电常数容差保持在2％或更高的范围内，而FR-4的额定容差仅为10％。

l 信号丢失：高速传输线频率越高，信号丢失的可能性就越大。与高速材料（例如PTFE）相比，FR-4通常具有更高的耗散因数，从而导致更多的信号损耗。

l 机械稳定性：尽管FR-4相当坚固，但是如果暴露于过多的功率，电压和热量下，它确实有其局限性。如果超过了这些限制，则材料的绝缘质量将下降并开始导电。

l 吸湿率：FR-4的吸湿率高达近50％。这使得PTFE材料（额定值低至2％）成为某些环境的更好选择。

定期在PCB材料领域取得了长足的进步。尽管对于某些高速PCB和系统设计而言，标准FR-4材料可能不是最佳选择，但也许正是您需要的新型环氧树脂。当然，关键是在致力于一种或另一种特定材料之前，要找到尽可能多的信息。

如何在高速PCB材料中做出最佳选择

为了最好地选择PCB材料，首先要进行一些研究。您可以在PCB制造商的网站以及白皮书和其他研究文档中找到许多有用的信息。绝对最好的办法是尽早与您选择的PCB制造商合作，让他们帮助您做出正确的决定。为他们提供PCB的规格，其功能以及用途，它们将为您展示最佳的材料。重要的是与您的制造商合作。这是他们从事的业务，他们确实擅长于自己的工作。

选择了板材料后，就可以继续定义PCB层堆叠了。尽管可能会抢先做好这部分工作，但绝对至关重要的是，在决定使用哪种板材料之前，不要指定高速设计的堆栈。阻抗计算依赖于知道您所使用的PCB材料的种类，以使其准确。

确定材料之后，您可以使用正确的电源和接地层策略以及考虑阻抗控制布线的层厚度来计划PCB堆叠。