FR-4是用于高速PCB設(shè)計(jì)的最佳板材料選擇嗎?
當(dāng)我們承擔(dān)著一個超出我們舒適范圍的項(xiàng)目的任務(wù)時,我們一次或一次都去過那里。對我來說,那天是我的老板要求我設(shè)計(jì)一個高速板的日子。雖然我認(rèn)為自己是一位經(jīng)驗(yàn)豐富的電路設(shè)計(jì)師,但我知道高速PCB設(shè)計(jì)具有許多在設(shè)計(jì)平均電路時通常不會遇到的限制。最初,我花時間來制作適合高速設(shè)計(jì)的原理圖;但是,一旦完成,我就會完全專注于了解我的高速PCB原型是否應(yīng)該使用FR-4或更專業(yè)的材料。在學(xué)習(xí)所學(xué)內(nèi)容之前,務(wù)必要了解本文中將“高速”指的是大于50 MHz的任何東西。這些是在此頻率范圍內(nèi)工作時應(yīng)注意的物質(zhì)注意事項(xiàng)。
高速設(shè)計(jì)在信號完整性方面的規(guī)范比其他設(shè)計(jì)更嚴(yán)格。盡管在高速信號的布線中要格外小心,以滿足這些要求,但必須理解,板材料本身是整個信號完整性方程式的一部分。因此,用于高速設(shè)計(jì)的電路板材料需要具有嚴(yán)格公差的介電常數(shù)等屬性,以幫助控制阻抗。如果允許阻抗在整個設(shè)計(jì)中變化,那么高速信號將在它們穿過線路時開始向回反射能量,并且信號將失真。同樣,期望有低耗散因數(shù)以幫助維持信號完整性。最后,熱穩(wěn)定性是確保介電性能不會破壞的另一個重要特性。
FR-4:優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
自從我一直在設(shè)計(jì)印刷電路板以來,FR-4一直是制造PCB的標(biāo)準(zhǔn)材料。當(dāng)初還是初級設(shè)計(jì)師時,我們甚至習(xí)慣于將所有板子稱為“ FR-4”,而不管它們是否由其制成。FR-4是一種阻燃4型玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧層壓板。它是一種極具成本效益的材料,既是極好的電絕緣體,又在干燥和潮濕的條件下非常堅(jiān)固。它還具有良好的制造性能,使其成為構(gòu)造PCB的理想材料。
FR-4的缺點(diǎn)是,在功率,電壓或熱量過多時,存在運(yùn)行限制。如果超過其工作極限,FR-4的介電性能將會下降。這意味著材料的絕緣性將降低,它將開始導(dǎo)電。FR-4的另一個問題是在高速設(shè)計(jì)中保持穩(wěn)定的阻抗。這是因?yàn)?/span>FR-4的介電常數(shù)會在電路板的長度和寬度上變化。另外,隨著設(shè)計(jì)速度的提高,在非高速設(shè)計(jì)中可以接受的信號損耗將增加到FR-4板上的不良水平。
特定的高速板材料與FR4的比較
專用的高速板材料,例如熱固性碳?xì)浠衔锖?/span>PTFE層壓板,在更高頻率的設(shè)計(jì)中將比FR-4具有更好,更可靠的性能。我們將在稍后進(jìn)行權(quán)衡取舍,但首先讓我們看一下高速電路板設(shè)計(jì)材料提供的一些優(yōu)勢:
1.減少信號損失。隨著傳輸線頻率的增加,信號損失成為更大的問題。高速設(shè)計(jì)板材料的耗散系數(shù)比FR-4低得多,其中某些材料(例如近乎純凈的PTFE層壓板)要好一個數(shù)量級。這些較低的耗散因數(shù)是減少信號損耗的重要因素。
2.更嚴(yán)格地控制阻抗。傳統(tǒng)的PCB材料(例如FR-4)不能像高速板材料那樣提供對介電常數(shù)(Dk)的精確控制。FR-4 Dk的變化范圍為+/- 10%或更多,而諸如PTFE之類的材料將其Dk公差保持在+/- 2%或更高。
3.更好的熱管理。某些高速設(shè)計(jì)板材料(例如,熱固性烴層壓板)的導(dǎo)熱性比FR-4好得多。如果您的設(shè)計(jì)要處理熱管理問題,那么這些板材料就是要研究的材料。
4.增加水分吸收。水具有介電特性,即使少量水分吸收到帶有高頻電路的PCB中,也會改變這些電路的電氣性能。盡管FR-4的吸濕率接近50%,但某些PTFE材料的吸濕率低至2%,應(yīng)考慮解決該問題。
5.堅(jiān)固的尺寸穩(wěn)定性。對于具有嚴(yán)格公差的密集高速設(shè)計(jì),對尺寸穩(wěn)定性的需求增加。盡管FR-4以其尺寸穩(wěn)定性而聞名,但它缺乏高速材料提供的其他優(yōu)勢。在這種情況下,熱固性烴層壓板可能是更好的選擇。
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