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微波技術

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對於DF值僅為0.005的kappa 438,FR-4是高頻材料的選擇
2020-10-05
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Author:Dag      Share


當FR-4 PCB材料向更高性能材料的過渡通常並不像人們想像的那麼簡單。當轉變明顯時,可能需要解決許多意想不到的問題。這些問題有的可能與電路設計有關,有的可能與PCB 製造工藝有關。


由於電路性能的損失,從FR-4 PCB 材料過渡到高頻PCB 材料是必要的。對於特定電路,可接受的插入損耗量可能因應用而異。材料的損耗按損耗因子(DF)分類,對於低損耗、中損耗和高損耗材料來說,這是相當主觀的。根據經驗,本文將它們分類如下: 高損耗材料的 DF 值為 0.015 或更高,這是許多 FR-4 材料的普遍值;一些高性能FR-4材料的損耗較低,其中一些DF值為0.010,這些材料被歸類為中等損耗材料;低損耗材料的DF值通常在0.004以下;極低損耗材料 DF 為 0.002 或更小。DF 範圍為 0.004-0.010 的低損耗和中損耗材料之間存在灰色區域。


除了損耗的差異外,切換到高頻材料可能需要進行重大的設計更改。這些變化主要是由於FR-4材料的介電常數(DK)約為4.2-4.5,而許多高頻層壓板的DK值非常低。DK的變化可能會導致阻抗差異,因此在設計中往往需要改變佈線佈局。此外,FR-4 層壓板的厚度可能不會隨著層壓板的預期厚度而變化,以保持層壓板的所需厚度。

PCB材料

另一個問題與PCB 製造工藝有關。一些高頻材料以 PTFE 為基礎,可能需要與 FR-4 材料不同的加工參數。


FR-4 還有其他促進因素。由於高頻行業的需求,大多數高頻材料的DK公差比FR-4更嚴格,基板的厚度控制也更嚴格。這些嚴格控制的層壓板特性非常有利於構建阻抗窄的可控阻抗板。此外,高頻材料通常具有非常低的吸濕性,對於某些應用,這對於性能增益可能比材料的較低 DF 更重要。此外,高頻材料通常製成介電常數溫度係數(tcdk)低,這是DK隨溫度變化的量度。對於某些應用,tcdk 可能比損耗更重要,這是使用高頻層壓板的另一個原因。


幸運的是,新的PCB材料在不斷發展,其中很多是FR-4 PCB 材料與高頻 PCB之間的橋樑  材料。例如,Rogers kappa 438 Gamma 它具有許多類似於 FR-4 的特性,同時提供了許多與高頻材料相關的優勢。其DF值為0.005,不低於真正的低損耗材料,但與中損耗或高損耗的FR-4材料相比,損耗明顯改善。Kappa 438 Gamma 發展到與許多常用的FR-4材料具有相同的DK,其DK為4.38,這意味著在更換FR-4時,無需對電路設計進行重大更改即可使用。此外,其DK公差比大多數FR-4材料更嚴格,精度為±0.05。Kappa 438 Gamma 其CTE在高級PCB 結構範圍內,可以使用與FR-4相同的工藝。


當然,對於PCB結構來說,當換成任何不同的材料時,建議PCB 廠商在每個具體的結構中優化材料的工藝。但好消息是,如果非要從 FR-4 切換到高頻、低損耗的材料,技術人員可以選擇的材料還是很多的。


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