低K与高K介电PCB基板材料介绍与分析

PCB基板材料是许多方面性能的主要决定因素。在任何实际的操作环境中，您都需要做出一些妥协，以确保您的下一块板能够按预期运行。PCB基板材料行业花费了大量时间来设计具有各种材料特性，编织样式，粘合树脂含量和介电特性的PCB芯和层压材料。在标准PCB基板上进行设计的任何人都可以在其下一板中使用大量的层压板和核心材料。

PCB基板材料的介电常数可能比其他任何材料特性都重要，这是因为它对信号完整性和电源完整性的影响。在这场辩论中，通常会比较低k和高k介电层压板用作PCB基板材料。用于3D打印的高级应用的可用材料范围不断扩大，并且许多特殊材料也变得可用。让我们看一下低k与高k PCB基板材料的全面比较。

低K与高K介电基板的比较

许多在高频或高速设计领域工作的设计人员通常建议使用Dk值较低的电介质。低k PCB基板材料确实提供了许多信号完整性优势，这促使许多设计人员建议直接使用这些材料。尽管许多设计人员建议选择低k介电基片，但这些材料具有某些优点和缺点。下表显示了低k介电材料的一些重要优点和缺点。

 

从上面可以看出，低k介电材料在信号完整性方面提供了某些优势。但是，在需要极其精确布线的PCB中使用这些材料意味着要进行一些微小的设计更改，以克服它们的缺点。

对于电源完整性而言，最重要的缺点可能是电源和接地层之间所需的去耦水平，因为使用低k材料会降低层间电容并增加PDN阻抗。为了克服这个缺点，需要将接地层和电源层放置得更近一些。当使用标准平面PCB层压板时，这可能不可行，因为层厚度受芯和预浸料的厚度限制。

PCB基板材料中的分散

在低k和高k介电材料之间进行选择时，始终有一个因素值得怀疑：介电常数的分散。任何材料的这种特性是指介电常数和吸收常数随信号频率的变化。

由于信号传播速度与介电常数成反比，因此信号带宽内Dk的变化会导致信号中不同的频率分量以不同的速度传播。类似地，信号带宽内吸收常数的变化会导致不同的频率分量经历不同程度的衰减。

由于这些材料的非均质各向异性特性，因此很难对PCB基板材料中的分散度进行宽带测量。这导致测得的Dk和吸收常数值显着变化，这在很大程度上取决于测量技术。除了测量困难外，这些特性还是PCB互连中信号失真的重要决定因素。

在长互连中，色散会导致调制的模拟信号和高速数字信号在传播过程中遭受明显的衰减。由于不同的频率分量在互连上以不同的速度传播，因此信号在传播过程中将伸展，而不管色散是正还是负。

测量，信号失真和建模方面的问题促使人们使用新型的低k PCB基板材料。3D打印系统及其使用的独特材料正是在这里为高级RF和超高速数字设备提供了潜在的解决方案。

通过3D打印扩展您的PCB基板材料范围

3D打印系统利用多种替代材料进行PCB制造，包括低k和高k聚合物作为PCB基板材料。与标准的PCB层压板相比，这些材料具有明显的优势。首先，它们不会受到纤维编织效应的影响，当在GHz范围内工作时，可以防止特定的EMI问题和不可预测的偏斜问题。这是毫米波频率下的已知问题，通常可以通过选择具有更紧密编织图案的平面基板来解决。

其次，聚合物目前在性能最好的3D打印PCB中用作基材。聚合物的介电性能可以通过掺杂，固化，共混和功能化来调节。随着可用材料范围的不断扩大，材料工程师将有更多选择来调整材料参数，以满足其特定的设计应用。喷墨3D打印系统非常适合与一系列可低温处理的聚合物悬浮液一起使用。

3D打印系统还为PCB制造提供了其他优势。这些系统可用于在逐层沉积工艺中制造具有任何几何形状或互连体系结构的板。制造成本和时间是高度可预测的，因为它们仅取决于所印刷材料的重量，而不取决于成品PCB的复杂性。这使得这些系统非常适合用于高级PCB的超快速原型制作，以及立即扩展到高混合量，小批量生产的需求。