Er FR-4 det bedste materialevalg til højhastigheds PCB-design?

Når vi påtager os et projekt, der ligger uden for vores komfortzone, har vi alle været der på et eller andet tidspunkt. For mig kom den dag, da min chef bad mig om at designe et højhastighedskort. Selv om jeg troede, at jeg var en erfaren kredsløbsdesigner, vidste jeg, at design af højhastighedskort havde mange begrænsninger, som man normalt ikke møder, når man designer et gennemsnitligt kredsløb. Først brugte jeg tid på at gøre skemaet egnet til højhastighedsdesign. Men da det var gjort, fokuserede jeg fuldt ud på, om min højhastigheds-PCB Prototypen skal bruge FR-4 eller et mere specialiseret materiale. Før vi ser på, hvad jeg lærte, er det vigtigt at vide, at “højhastighed” i denne artikel betyder alt over 50 MHz. Dette er de væsentlige punkter, du skal være opmærksom på, når du arbejder i dette frekvensområde.

Højhastighedsdesign har strengere regler for signalintegritet end andre designs. Selv om du skal være meget omhyggelig med at dirigere højhastighedssignaler for at opfylde disse regler, er det vigtigt at forstå, at selve printmaterialet er en del af hele signalintegritetsligningen. Derfor skal kortmaterialer, der bruges i højhastighedsdesign, have egenskaber som f.eks. en nøje kontrolleret dielektrisk konstant for at hjælpe med at kontrollere impedansen. Hvis impedansen får lov til at ændre sig på tværs af designet, vil højhastighedssignaler begynde at reflektere energi tilbage, når de bevæger sig gennem sporene, og signalet vil blive forvrænget. På samme måde er det nødvendigt at have en lav tabsfaktor for at bevare signalintegriteten. Endelig er termisk stabilitet en anden vigtig egenskab, fordi den er med til at sikre, at den dielektriske ydeevne ikke nedbrydes.

FR-4: Fordele og ulemper

Siden jeg begyndte at designe printkort, har FR-4 altid været standardmaterialet til printkortproduktion. Da jeg stadig var juniordesigner, kaldte vi endda alle printkort for “FR-4”, uanset om de rent faktisk var lavet af det eller ej. FR-4 er et flammehæmmende type 4-glasfiberforstærket epoxylaminat. Det er et meget omkostningseffektivt materiale. Det er også en meget god elektrisk isolator og er meget stærkt under både tørre og fugtige forhold. Det har også gode fremstillingsegenskaber, hvilket gør det til et rigtig godt materiale til at bygge printkort.

Ulempen ved FR-4 er, at det har grænser, når strøm, spænding eller varme bliver for høj. Hvis det presses ud over sine arbejdsgrænser, falder FR-4's dielektriske ydeevne. Det betyder, at materialets isoleringsevne bliver dårligere, og at det begynder at lede elektricitet. Et andet problem med FR-4 er at holde en stabil impedans i højhastighedsdesign. Det skyldes, at FR-4's dielektriske konstant kan ændre sig på tværs af kortets længde og bredde. Når designhastigheden øges, kan signaltab, som kan være acceptabelt i ikke-højhastighedsdesign, blive for højt på FR-4-kort.

Specialiserede højhastighedskortmaterialer vs. FR-4

Særlige højhastighedspladematerialer, såsom termohærdet kulbrinte og PTFE-laminater, kan give bedre og mere pålidelig ydeevne end FR-4 i designs med højere frekvenser. Vi vil se på kompromiserne senere, men lad os først se på nogle af de fordele, som disse højhastighedskortmaterialer kan tilbyde:

1. Mindre signaltab. Når transmissionslinjens frekvens stiger, bliver signaltab et større problem. Materialer til højhastighedsdesignkort har en meget lavere spredningsfaktor end FR-4, og nogle materialer, som f.eks. næsten rene PTFE-laminater, er en størrelsesorden bedre. Disse lavere spredningsfaktorer er en vigtig del af reduktionen af signaltab.
2. Strammere impedansstyring. Traditionelle printkortmaterialer som FR-4 kan ikke kontrollere dielektricitetskonstanten (Dk) lige så godt som højhastighedskortmaterialer. FR-4 Dk kan variere med +/- 10% eller mere, mens materialer som PTFE holder Dk-tolerancen på +/- 2% eller bedre.
3. Bedre termisk styring. Nogle højhastighedsdesignkortmaterialer, som f.eks. termohærdede kulbrintelaminater, har meget bedre varmeledningsevne end FR-4. Hvis dit design har problemer med varmestyring, er det disse kortmaterialer, der er værd at se på.
4. Lavere fugtabsorption. Vand har dielektriske egenskaber, og selv en lille mængde fugt, der absorberes i et printkort med højfrekvente kredsløb, kan ændre disse kredsløbs elektriske ydeevne. Mens FR-4 har en fugtabsorberingsrate tæt på 50%, har nogle PTFE-materialer en rate så lav som 2%, så dette problem bør overvejes.
5. Bedre dimensionsstabilitet. For tætte højhastighedsdesigns med snævre tolerancer bliver behovet for dimensionsstabilitet endnu vigtigere. Selvom FR-4 er kendt for sin dimensionsstabilitet, tilbyder det ikke de andre fordele, som højhastighedsmaterialer giver. I dette tilfælde kan termohærdede kulbrintelaminater være et bedre valg.