了解印制電路板（PCB）材料參數（如相對介電常數和損耗角正切）使我們能夠討論在設計高速/高頻應用時選擇合適材料的一些重要考慮因素。

印制電路板材料的重要參數

影響線路衰減的一些最重要的材料參數包括：

介電材料的相對介電常數（εr 或 Er 或 Dk）

介電材料的損耗角正切（tanδ 或 Df）

受集膚效應和表面粗糙度影響的導體電阻

最后是印制電路板的玻璃纖維編織成分

對這些特性以及傳輸線中的損耗機制有良好理解，有助于我們為應用選擇合適的印制電路板材料。材料選擇是印制電路板設計過程的第一步。如今，高速數字板和射頻產品的設計者可以從數十種控介電常數和低損耗的印制電路板材料中選擇。許多層壓板供應商已經開發了專有的樹脂系統。

使用低 Dk 和 tanδ 的材料來減少損耗

對于低損耗的傳輸線，每英寸的介電損耗（以分貝為單位）由以下公式給出：

其中 f 是以 GHz 為單位的頻率。由此可知，介電損耗是由材料的介電常數和損耗角正切直接決定的。因此，我們可以使用具有較低 tanδ 和 εr 的材料來盡可能地限制 αd。對于非常高 Gbps 的收發器，有三種材料選擇是推薦的：Nelco 4000-13EPSI、Rogers 4350B 和 Panasonic Megtron 6。下圖 1 比較了這些材料與其他一些常見材料的損耗角正切。

圖 1. 不同印制電路板材料的損耗角正切隨頻率變化的函數。圖片承蒙英特爾公司提供。

使用低 Dk 材料來減小板厚

為了更好地理解使用低 Dk 材料如何使我們能夠減小板厚，請考慮圖 2 中所示的帶狀線。

圖 2. 一種帶狀線配置

國際電子工業聯接協會推薦的帶狀線特性阻抗的最常用近似公式是：

其中：

t 是金屬厚度（密耳） w 是線寬（密耳） b 是平面之間間距（密耳）

對于固定的特性阻抗 Z0 和走線寬度 w，如果我們使用具有更大 εr 的材料，那么我們必須增加平面之間的間距。換句話說，較大的 εr 可能會增加板的整體厚度。在具有多個信號層的高密度板中，這可能會顯著增加板厚。更厚的板意味著設計需要具有更大長徑比的過孔。過孔的長徑比是其長度除以其直徑。

例如，如果板厚為 0.2 英寸，過孔鉆孔直徑為 0.02 英寸，那么長徑比為 10:1。長徑比大的困難在哪里呢？請記住，為了提供電氣連接，過孔的內部需要用鍍銅溶液覆蓋銅。圖 3 顯示了一個長徑比為 15:1 的鍍孔的橫截面。

圖 3. 長徑比為 15:1 的高長徑比鍍孔的橫截面

大多數印制電路板制造商能夠制造長徑比在 6:1 到 8:1 之間的過孔。隨著長徑比的增加，鍍銅變得越來越困難，因為過孔內壁的銅層可能會變薄。這甚至會使過孔中心在熱應力下更容易開裂。因此，對于較大的長徑比，可能需要使用更昂貴的印制電路板制造技術，并且最終板的可靠性會令人擔憂。選擇低 Dk 的材料可以在一定程度上緩解這些問題。

介電常數隨頻率變化

印制電路板材料的介電常數是頻率的函數。下圖 4 顯示了一些常見印制電路板層壓板的介電常數的頻率依賴性。

圖 4. 介電常數與頻率的關系

介電常數的變化會帶來哪些影響呢？介電常數會影響兩個重要參數：特性阻抗和波速。信號通過傳輸線的傳播速度可用以下公式表示：

其中 c 是光在真空中的速度。

由于 Dk 的變化，信號的不同頻率成分可能會經歷略微不同的信號速度，從而導致信號色散。隨著頻率的增加，Dk 減小，線路的特性阻抗增加（公式 2）。這會惡化高頻下的信號反射。因此，希望使用在感興趣頻率范圍內 Dk 對頻率響應更平坦的材料。

圖 4 顯示，FR4 系列材料的 Dk 對頻率響應變化相對較大。這就是為什么建議在高速/高頻應用中避免使用這種材料（另一個原因是 FR4 系列印制電路板層壓板的高介電損耗）。需要注意的是，大多數制造商僅在幾個特定頻率下指定 Dk 值。

介電常數隨樹脂含量變化

印制電路板材料是一種纖維/樹脂復合材料，可以使用不同密度的編織物（圖 5）。

圖 5. 圖片承蒙 NWES 公司提供。

樹脂的介電常數小于纖維的介電常數。因此，增加樹脂含量會降低印制電路板層壓板的有效 Dk。圖 6 顯示了 FR408HR 層壓板的介電常數如何隨樹脂含量變化。

圖 6. 印制電路板層壓板樹脂含量與相對介電常數的關系

因此，除了測量頻率外，層壓板供應商還應指定相應的樹脂含量。表 1 給出了在兩個不同頻率（1 MHz 和 1 GHz）下，不同結構和樹脂含量的高 Tg FR4 層壓板的介電常數。

表 1. 不同高 Tg FR4 層壓板的介電常數

這張表清楚地顯示，給定的層壓板厚度可以有不同的介電常數。例如，厚度為 0.004 英寸的層壓板的介電常數可以從 4.11 變化到 4.54。原因是，對于厚度為 0.004 英寸的層壓板，其可用的變體使用了不同風格的玻璃纖維編織物，并且具有不同的玻璃纖維與樹脂比例。

纖維編織效應

如圖 5 所示，印制電路板的層壓板和芯板是由浸漬了樹脂的編織玻璃纖維制成的。這使得材料本質上是不均勻的和各向異性的。換句話說，板的某些區域可能是玻璃纖維占主導，而另一些區域則是樹脂豐富的。這可能會在要求苛刻的應用中引起問題。為了更好地理解這一點，請考慮下面顯示的兩條走線。

圖 7. 編織玻璃印制電路板材料的高清圖像

在上圖中，走線 1 位于纖維束上方，而走線 2 位于樹脂豐富區域。這表明，根據位置的不同，同一塊板上的兩條走線可能會經歷不同的有效介電常數。因此，同一塊板上的兩條路徑的信號速度可能不相同，這可能會在高速板中導致時序偏移。有幾種不同的玻璃纖維編織風格，其中一些如圖 5 所示。正如您所見，材料的不均勻性取決于玻璃纖維編織的類型和編織中的間隙大小。像 106 和 1080 玻璃布這樣編織稀疏的材料，與編織更緊密的風格相比，會產生更大的時序偏移。電磁干擾加劇和損耗問題也是編織稀疏材料的另外兩個不良影響。

除了使用玻璃纖維分布更均勻的編織風格外，我們還可以使用一些走線布線技巧，使板上的 Dk 更加一致。例如，我們可以使走線與纖維經線/緯線呈一定角度，和/或使用鋸齒形布線風格，以在一定程度上減輕玻璃纖維編織效應。請注意，鋸齒形布線會消耗寶貴的板空間，并由于使用更長的走線而增加損耗，而只是部分解決了問題。要了解更多關于這種效應的信息，請參考這份 Isola 的演示文稿。

板的損耗角正切

下圖 8 比較了一些印制電路板材料的損耗與頻率性能。正如您所見，某些材料的損耗明顯低于其他材料。這些信息可以幫助我們決定哪種材料在更高頻率下可能表現更好。隨著我們進入越來越高的頻率，應使用損耗更低且提供更平坦的 Dk 對頻率響應的材料。

圖 8. 常見印制電路板材料的損耗與頻率關系

圖 9 顯示了使用低損耗角正切的印制電路板層壓板系統如何增加印制電路板的成本。作為參考，圖中的 FR406 是 Isola 公司制造的高 Tg FR-4 材料。

圖 9. 在印制電路板設計中，較低的損耗角正切通常需要更高的成本

關于 FR4 板的普遍誤解

在此值得一提的是，與普遍認為的相反，“FR4” 并不指代具有已知介電常數或其他性能指標的特定印制電路板層壓板。FR4 材料是一大類用作印制電路板基板的玻璃纖維編織樹脂浸漬材料。將其用作層壓板標識符有著歷史淵源。在印制電路板技術早期，有兩種原始材料選擇：聚酰亞胺和環氧樹脂基材料。術語 FR4 用于指代后者。“FR4” 逐漸意味著 “非聚酰亞胺”，但它并不指定介電常數或其他性能指標。

使用仿真工具和測量提高準確性

層壓板供應商提供的數據以及我們在之前文章中討論的一階損耗方程，使我們能夠對材料在感興趣頻率下的性能進行初步評估。然而，需要注意的是，當損耗對我們很重要時，我們通常需要分析工具來更準確地估計特定材料在工作頻率范圍內的損耗。如果涉及大量資金，我們可能甚至無法信任模擬性能。在這種情況下，最好使用實際電路構建測試板來檢查材料的實際性能。確保從原型到批量生產的整個生產周期中使用相同的層壓板也很重要。