和小北聊聊高速PCB设计时板材选择,需要注意那些规则有呢?

和小北聊聊，随着微处理器和信号转换传输器件运行速度提升，数字电路的运行速度也达到一个更高层次：100Gbps。使用通用的PCB板材将不能达到高速信号要求，电路板的选材将会决定产品的性能。以前我们画板的时候，PCB材料是FR4。

现在有许多高速数字应用，速度为10 Gbit/s或更高。这些应用使用5 GHz的基频和15 GHz，25 GHz等的谐波。在此频率范围内，大多数常见的PCB材料在介质损耗（Df）方面会有非常显的差异，并导致严重的信号完整性的问题。这是高速数字PCB使用专为高频应用而设计的特殊板材的原因之一。这些材料的配方具有低损耗因素，在很宽的频率范围内具有最小的变化。这些板材过去常用于高频RF应用，甚至现在用于77 GHz及更高的应用。除了介质损耗因素的改进外，这些板材还配有严格的厚度控制和Dk控制，更有利于保障信号完整性。
小北以PCI为例：
PCI Express 2.0规范的主要在数据传输速度上做出了重大升级，即从以前的2.5GT/s总线频率翻倍至5GT/s，这也就是说以前PCI Express 2.0 x16接口能够翻番达到惊人的8GB/s总线带宽(1GB/s=8Gbps)。
目前最新的版本为PCI-E 3.0，是生产中可用于主流个人电脑的扩展卡的最新标准。也有还未退市的PCI-E(即1.0版)。而在2009年的第二季度发布的AMD RD890芯片组将率先支持PCI-E 3.0版本。2.0比1.0带宽提高一倍，而3.0比2.0版带宽又提升一倍，为5GHz x 4。
PCIe 5.0 的数据速率更加达到恐怖的 32GT/s，从而加重频率相关的插入损耗。
那么我们在设计PCB时，需要选择不同材料达到设计的需要求。 
目前市场上常见的几种高速板材： 
常用的高速板材有：

1）、罗杰斯Rogers：RO4003、RO3003、RO4350、RO5880等
2）、台耀TUC:Tuc862、872SLK、883、933等
3）、松下Panasonic：Megtron4、Megtron6等
4）、Isola：FR408HR、IS620、IS680等
5）、Nelco：N4000-13、N4000-13EPSI等
6）、东莞生益、泰州旺灵、泰兴微波等
 
对于高速PCB而言，在设计时需要考量材料的选择及设计等是否满足信号完整性要求，这就要求尽量减小信号的传输损耗。
选择合适的PCB板材主要考虑以下因素：
1、可制造性
比如多次压合性能如何、温度性能等、耐CAF/耐热性及机械韧（粘）性（可靠性好）、防火等级。
2、与产品匹配的各种性能（电气、性能稳定性等）
低损耗，稳定的Dk/Df参数，低色散，随频率及环境变化系数小，材料厚度及胶含量公差小（阻抗控制好），如果走线较长，考虑低粗糙度铜箔。另外一点，高速电路的设计前期都需要仿真，仿真结果是设计的参考标准。
3、材料的可及时获得性
 
很多高频板材采购周期非常长，甚至2-3个月;除常规高频板材RO4350有库存，很多高频板都需要客户提供。因此，高频板材需要和厂家提前沟通好，尽早备料。
4、成本因素Cost
看产品的价格敏感程度，是消费类产品，还是通讯、医疗、工业、军工类的应用。
5、法律法规的适用性等
 要与不同国家环保法规相融合，满足RoHS及无卤素等要求。
附：PCB常用板材
FR-4
一种耐燃材料等级的代号，所代表的意思是树脂材料经过燃烧状态必须能够自行熄灭的一种材料规格，它不是一种材料名称，而是一种材料等级，因此目前一般电路板所用的FR-4等级材料就有非常多的种类，但是多数都是以所谓的四功能(Tera-Function)的环氧树脂加上填充剂(Filler)以及玻璃纤维所做出的复合材料。
树脂
一种热固化材料，可以发生高分子聚合反应，PCB行业常用的是环氧树脂。功能特性：
具有电气绝缘性可以作为铜箔与加固物（玻璃纤维布）之间的粘合剂抗电气性、耐热性、耐化学性、抗水性玻璃纤维布随着微处理器和信号转换传输器件运行速度提升，数字电路的运行速度也达到一个更高层次：100Gbps。使用通用的PCB板材将不能达到高速信号要求，电路板的选材将会决定产品的性能。以前我们画板的时候，PCB材料是FR4。
 


现在有许多高速数字应用，速度为10 Gbit/s或更高。这些应用使用5 GHz的基频和15 GHz，25 GHz等的谐波。在此频率范围内，大多数常见的PCB材料在介质损耗（Df）方面会有非常显的差异，并导致严重的信号完整性的问题。这是高速数字PCB使用专为高频应用而设计的特殊板材的原因之一。这些材料的配方具有低损耗因素，在很宽的频率范围内具有最小的变化。这些板材过去常用于高频RF应用，甚至现在用于77 GHz及更高的应用。除了介质损耗因素的改进外，这些板材还配有严格的厚度控制和Dk控制，更有利于保障信号完整性。
我们以PCI为例：
PCI Express 2.0规范的主要在数据传输速度上做出了重大升级，即从以前的2.5GT/s总线频率翻倍至5GT/s，这也就是说以前PCI Express 2.0 x16接口能够翻番达到惊人的8GB/s总线带宽(1GB/s=8Gbps)。
目前最新的版本为PCI-E 3.0，是生产中可用于主流个人电脑的扩展卡的最新标准。也有还未退市的PCI-E(即1.0版)。而在2009年的第二季度发布的AMD RD890芯片组将率先支持PCI-E 3.0版本。2.0比1.0带宽提高一倍，而3.0比2.0版带宽又提升一倍，为5GHz x 4。
PCIe 5.0 的数据速率更加达到恐怖的 32GT/s，从而加重频率相关的插入损耗。
那么我们在设计PCB时，需要选择不同材料达到设计的需要求。 
目前市场上常见的几种高速板材： 
常用的高速板材有：
 
1）、罗杰斯Rogers：RO4003、RO3003、RO4350、RO5880等
2）、台耀TUC:Tuc862、872SLK、883、933等
3）、松下Panasonic：Megtron4、Megtron6等
4）、Isola：FR408HR、IS620、IS680等
5）、Nelco：N4000-13、N4000-13EPSI等
6）、东莞生益、泰州旺灵、泰兴微波等
 
对于高速PCB而言，在设计时需要考量材料的选择及设计等是否满足信号完整性要求，这就要求尽量减小信号的传输损耗。
选择合适的PCB板材主要考虑以下因素：
1、可制造性
比如多次压合性能如何、温度性能等、耐CAF/耐热性及机械韧（粘）性（可靠性好）、防火等级。
2、与产品匹配的各种性能（电气、性能稳定性等）
低损耗，稳定的Dk/Df参数，低色散，随频率及环境变化系数小，材料厚度及胶含量公差小（阻抗控制好），如果走线较长，考虑低粗糙度铜箔。另外一点，高速电路的设计前期都需要仿真，仿真结果是设计的参考标准。
3、材料的可及时获得性
 
很多高频板材采购周期非常长，甚至2-3个月;除常规高频板材RO4350有库存，很多高频板都需要客户提供。因此，高频板材需要和厂家提前沟通好，尽早备料。
4、成本因素Cost
看产品的价格敏感程度，是消费类产品，还是通讯、医疗、工业、军工类的应用。
5、法律法规的适用性等
 要与不同国家环保法规相融合，满足RoHS及无卤素等要求。

附：PCB常用板材
FR-4
一种耐燃材料等级的代号，所代表的意思是树脂材料经过燃烧状态必须能够自行熄灭的一种材料规格，它不是一种材料名称，而是一种材料等级，因此目前一般电路板所用的FR-4等级材料就有非常多的种类，但是多数都是以所谓的四功能(Tera-Function)的环氧树脂加上填充剂(Filler)以及玻璃纤维所做出的复合材料。
树脂
一种热固化材料，可以发生高分子聚合反应，PCB行业常用的是环氧树脂。功能特性：
具有电气绝缘性可以作为铜箔与加固物（玻璃纤维布）之间的粘合剂抗电气性、耐热性、耐化学性、抗水性玻璃纤维布
一种无机物经过高温融合后冷却成为一种非结晶态的坚硬物，然后由经纱，纬纱交织形成的补强材料。
常用的E-玻璃纤维布规格有：106、1080、3313、2116、7628。
铝基板
其基材当然是铝，是由铜皮、绝缘层和铝片构成，现在常用于LED照明行业，因为其散热性能好。

一种无机物经过高温融合后冷却成为一种非结晶态的坚硬物，然后由经纱，纬纱交织形成的补强材料。
常用的E-玻璃纤维布规格有：106、1080、3313、2116、7628。
铝基板

其基材当然是铝，是由铜皮、绝缘层和铝片构成，现在常用于LED照明行业，因为其散热性能好。