FR-4过渡到高频材料

行走在路上

当PCB设计师被问到何时应该从FR-4过渡到高频材料时，好在有这样一个列表可以帮助他们回答这一问题。


这个问题的基本要点在于，FR-4材料已经使用了相当长的一段时间，而这类材料在其应用领域表现不错。高频电路材料也是如此，它也被认为是一种低损耗材料。但是当设计师考虑从FR-4转换到低损耗材料时，他们一定会遇到这样一种灰色地带，让他们难以轻易做出选择。高频材料的一些固有特性对于某些非高频或低损耗属性应用而言也是有一定益处的。设计师在FR-4和高频材料之间做出选择时，一定要考虑到这两种材料之间的特性差异。


一种好的做法就是将FR-4的特性和常用高频材料的特性进行对比。本文中对比所用的低损耗材料是RO4835层压板，对比所用的是高质量、高Tg的FR-4材料。这一对比的主要目的是引发设计师的思考；不可否认的是，本文所提及的这些材料和特性必然会存在例外情况。以下是经过对比这两种材料的特性后给出的各项主观评估结果：

                                             

表1：一系列材料特性评价

第一项是Dk控制（介电常数特性控制），对于高频材料而言，能很好地控制Dk，但FR-4表现不佳。对于低频应用，不能很好地控制Dk问题不大，但有时也有例外。即使是低频电路有时候也需要控制阻抗，而且严格控制Dk也有利于阻抗可控电路板获得较高的良率。


低频应用具备良好Df控制特性通常也不是问题。但若设计师想要在应用中使用FR-4，而插入损耗又是这个应用的考量因素之一，那么FR-4的不一致性可能会妨碍设计师了解材料的真正极限。


电路生产会影响电路的成本，也会影响不同电路特性的一致性。PCB生产过程中对FR-4材料有非常明确的定义，通常情况下不需要考虑这一点。本文所选用的高频材料在PCB生产过程中也有着非常明确的定义，但在用这种材料制造电路板时必须要采用不同的参数，而这些参数会导致电路的生产成本增加。


因为同样的FR-4基板通常是在不同的生产地点制造出来的，所以必然会影响到基板的厚度控制。与高频材料相比，FR-4材料每一批次间（或同一批次内）的厚度控制变化要更差一些。而基板的厚度控制对于高频设计而言是极为重要的。高频材料在生产过程中受到严格控制，这样才能得到一致的基板厚度容差，因为这一容差对阻抗、相位响应、带宽和插入损耗等重要高频电路功能有着直接影响。厚度容差受到严格控制的高频材料有助于提高阻抗可控电路板的良率，从而节省成本。


吸潮性是保证高频性能一致性的另一个重要方面，大多数高频电路材料的配方中对吸潮性都有明确规定。对于低频应用而言，吸潮性的重要程度不一定。有时候，在动态操作环境下使用吸潮性低的材料也许不会引起电气问题，但却有可能造成可靠性问题。有些低频应用虽然不存在电气性能问题，但仍然使用了高频电路材料来避免出现吸潮问题。


有些应用含有板载芯片或器件，在正常操作过程中会产生热量。使用具有高导热性的高频材料可最大程度地减少热管理问题。普通FR-4材料的导热率大约是0.25 W/m/K，而RO4835的导热率是0.62 W/m/K。相差2倍之多，后者必然有利于热管理。


即使是低频线路，当要求保证电气一致性时，也一定要考虑到Dk热系数（TCDk）。简言之，TCDk用于衡量温度改变时基板Dk的变化情况。FR-4材料的组成没有考虑到这一特性，因此这类材料的TCDk值通常会超过300 ppm/℃。根据高频材料行业的经验法则，TCDk不应该超过50 ppm/℃，而这也正是RO4835层压板的TCDk值。


除了前面提到的问题，在FR-4和高频材料之间做出选择时通常还要考虑插入损耗的差异。有些方法是可以让FR-4材料在高频下表现出更强的损耗性能。其中一个方法就是在FR-4层压板中使用非常光滑的铜材料。这里所指的铜表面是铜材与基板界面处的铜表面粗糙度。这一界面的光滑铜表面可减少导体损耗，而导体损耗是总插入损耗的一部分。同样，如果FR-4基板相对较薄，则导体效应会更加显著，那么光滑铜表面将有助于改善插入损耗。FR-4的损耗因数（Df）对于插入损耗而言是个大问题。一般情况下，一块高Tg的FR-4基板在1 GHz下，其Df值通常介于0.015~0.025之间，而在相同频率下高频材料的Df值大约是0.0025。


至于FR-4是否能满足插入损耗要求，还是要由熟悉损耗预算限度的PCB设计师来决定。切记：“在面对FR-4和高频层压板之间的灰色地带时，还可以选择另一种材料——中等损耗材料。”这类材料在1 GHz下的Df值通常介于0.005~0.015之间，其层压板成本相较而言也比较接近于高频材料的成本，比FR-4高。Rogers Kappa 438层压板就是一种中等损耗材料。它具有很多高频层压板的特性，但其Dk值又比较接近FR-4，其Df值虽不如RO4835层压板，但远远低于FR-4的Df值。


当需要从FR-4转换到高频材料时，切记你永远都有其他选项可以考虑。