高速 PCB 设计简介：FR-4 是高速 PCB 设计的最佳电路板材料选择吗？

FR-4 是高速 PCB 设计的最佳电路板材料选择吗?

当我们负责一个位于我们舒适区之外的项目时，我们都曾经历过一次或一次。对我来说，当我的老板让我设计高速板时，那一天就来了。虽然我认为自己是一位经验丰富的电路设计师，但我知道高速 PCB 设计有许多限制，这些限制是您在设计普通电路时通常不会遇到的。最初，我花时间制作适用于高速设计的原理图;然而，一旦完成，我就完全专注于了解我是否应该为我的高速PCB 原型使用 FR-4 或更专业的材料. 在深入了解我所学的知识之前，重要的是要知道我在本文中将“高速”指的是大于 50 MHz 的任何东西。这些是您在该频率范围内工作时应注意的材料注意事项。

与其他设计相比，高速设计在信号完整性方面具有更严格的规范。尽管高速信号的布线非常小心以满足这些要求，但必须明白，电路板材料本身是整个信号完整性方程式的一部分。因此，用于高速设计的电路板材料需要具有严格公差的介电常数等特性，以帮助控制阻抗。如果允许阻抗在整个设计中发生变化，那么高速信号将在它们穿过线路时开始将能量反射回来，并且信号将失真。此外，有助于保持信号完整性的低耗散因数也是可取的。最后，热稳定性是确保介电性能不会崩溃的另一个重要特性。

FR-4：它的优点和缺点

自从我设计印刷电路板以来，FR-4 一直是用于制造 PCB 的标准材料。回到初级设计师的时代，我们甚至养成了将所有电路板称为“FR-4”的坏习惯，无论它们是否由它构成。FR-4 是一种阻燃类型 4 玻璃纤维增强环氧层压板。它是一种非常具有成本效益的材料，既是出色的电绝缘体，又在干燥和潮湿的条件下非常坚固。它还具有良好的制造性能，使其成为构建 PCB 的理想材料。

FR-4 的缺点是当涉及到过大的功率、电压或热量时，它有操作限制。如果超过其操作限制，FR-4 的介电性能就会崩溃。这意味着材料的绝缘性会降低，它会开始导电。FR-4 的另一个问题是为高速设计保持稳定的阻抗。这是因为 FR-4 的介电常数会随着电路板的长度和宽度而变化。此外，随着设计速度的提高，非高速设计中可接受的信号损失将增加到 FR-4 板中不希望的水平。

具体高速板材料与FR4相比如何

热固性碳氢化合物和 PTFE 层压板等专用高速板材料在高频设计中将具有比 FR-4 更好、更可靠的特性。有一些权衡，我们将很快讨论，但首先让我们看一下高速板设计材料提供的一些优势：

1. 减少信号损失。随着传输线频率的增加，信号损失成为一个更大的问题。高速设计板材料的耗散因数比 FR-4 低得多，一些材料(例如几乎纯的 PTFE 层压板)要好一个数量级。这些较低的耗散因数是减少信号损失的一个重要因素。

2. 更严格地控制阻抗。FR-4 等传统 PCB 材料无法像高速板材料那样精确控制介电常数 (Dk)。FR-4 Dk 可以变化 +/- 10% 或更多，而 PTFE 等材料的 Dk 公差保持在 +/- 2% 或更好。

3. 更好的热管理。一些高速设计板材料，如热固性碳氢化合物层压板，导热性比 FR-4 好得多。如果您的设计要处理热管理问题，那么这些电路板材料就是要研究的材料。

4. 增加吸湿性。水具有介电特性，即使是带有高频电路的 PCB 吸收的少量水分也会改变这些电路的电气性能。虽然 FR-4 的吸湿率接近 50%，但一些 PTFE 材料的吸湿率低至 2%，应考虑解决此问题。

5. 强大的尺寸稳定性。对于具有严格公差的密集高速设计，对尺寸稳定性的需求增加了。虽然 FR-4 以其尺寸稳定性着称，但它缺乏高速材料提供的其他优势。在这种情况下，热固性碳氢化合物层压板可能是更好的选择。