芯耀
3531
印制电路板，也就是咱们说的PCB，是用好多种材料做的，最常见的就是玻璃纤维，如下图所示。
把玻璃纤维和环氧树脂混在一起，再铺上一层铜箔，之后把多余的铜箔蚀刻掉，就能做出想要的电路图案了，如下图所示（图中绿色部分为敷铜的走线）。下面来看看射频应用里常用的各种PCB材料都有啥。
PCB板是用一种基材做的，上面有导电线路，能把板子上的元器件连起来。这种基材是玻璃纤维基板，两面都有一层铜。那些铜线路要么是蚀刻出来的，要么是焊接出来的。
选什么样的基材、铜层多厚，得看电路板的具体用途和性能要求。电路板用在各种电子设备里，像电脑、手机，还有其他各种电子产品都离不开它。
一、FR4
FR4是“阻燃4级”的缩写，是做电路板常用的一种层压材料。它是用好几层玻璃纤维布和环氧树脂做的，能耐热、防火。
FR4是最常见的电路板材料，一般用在对阻燃性要求高的地方。它的热分解温度超过480℃，所以在高温环境下用也合适。
FR4这材料还挺结实耐用的，所以那些容易磨损的产品用它就很合适。它的抗弯强度高，还能耐溶剂、酸和碱的腐蚀。
G10/FR4是一种玻璃纤维环氧树脂层压材料，机械性能和电气性能都很不错。它是热固性材料，意思就是成型后要加热固化，不像热塑性材料那样能重新塑形。
G10的强度重量比很高，做电路板和其他结构件都很合适。而且它的电绝缘性特别好，高压或者高频的场景用它准没错。
1、FR4材料的优点
跟其他材料比，它有不少优势，比如电气和热性能不错、成本低、还好加工。
FR4的一大核心优势就是电气性能好。它的介电常数低，这意味着能承受高压还不会导电。另外，它的损耗角正切值也小，电流通过的时候转化成热量的能量少，所以大功率的场景用它挺合适。
FR4的散热性能也挺好。导热性高，能快速散热，像电脑、智能手机这种需要保持低温的产品，用它就很合适。
最后，FR4还容易加工。它成本低、能大批量生产，用常规的生产设备就能轻松处理。
2、FR4的缺点
它是用环氧树脂加固的玻璃纤维，所以结实耐用。但作为电路板材料，它也有一些局限性。
最大的局限之一就是耐热性不够。FR4的最高工作温度是125摄氏度，这可能会限制电子电路里某些元件的性能发挥。
另一个缺点是易燃。FR4不算防火材料，着火的时候很容易烧起来，这不仅有安全隐患，还会损坏电路板。
而且FR4比较脆，受力太大的话容易碎裂，这会损坏电路板，同样有安全风险。
二、罗杰斯（Rogers）
罗杰斯是一种高质量的电路板材料，是罗杰斯公司的品牌产品，在高要求的场景下能保证信号完整性和电气性能。它是低损耗、高频的电路板材料，专为高速数字场景设计，比如电信和数据通信系统，还有微波和射频领域也能用。
罗杰斯电路板材料有不同的厚度、介电常数和阻抗值，能满足不同场景的需求。它的表面光滑，能焊接，加工起来方便，而且耐高温，适合高可靠性的场景。
要是你需要一种高质量的电路板材料，能应对最棘手的应用场景，罗杰斯绝对是个好选择。它的信号完整性和电气性能都很出色，高速性能或者微波、射频功能的场景用它再合适不过。
这种材料是专门为高可靠性、高温场景设计的。
罗杰斯电路板材料是用高质量的环氧玻璃纤维层压板做的。高速、高频电路用它特别好，对可靠性要求高的电路也很适用。
下图是我们射频PCB常用的Rogers 4350b板材。
1、罗杰斯电路板材料的优点
罗杰斯电路板材料有很多优势，在现代各种场景里都很适用。它是高频、低损耗的材料，高速或高频电路用着正合适。
而且它的导热性好，对温度敏感的场景用它准没错。
另外，罗杰斯材料稳定性强，在很大的温度范围内性能都很稳定，那些对可靠性和稳定性要求高的场景，用它就很理想。
2、罗杰斯电路板材料的缺点
一个缺点是成本高。比其他电路板材料贵，所以有些场景可能不太划算用它。
另一个缺点是供应问题。它不像其他材料那样到处都能买到，有些地方可能很难买到。
最后，罗杰斯的损耗角正切值比其他一些材料高，在某些场景里效率可能会低一点。
三、杜邦（Dupont）
杜邦是一种高质量、阻燃的电路板材料，应用范围很广，汽车、电信、医疗行业都能用。它是用阻燃、导热的树脂做的，能满足如今高科技产品的高要求。杜邦电路板材料的热膨胀系数很低，对精度和可靠性要求高的场景用它很合适。而且它不含卤素，很环保。
1、杜邦材料的优点
杜邦电路板材料以质量好、耐用、耐热著称。另外，它性价比还挺高，企业想降低制造成本的话，选它很合适。
杜邦电路板材料还有个好处是容易加工。对于刚入行做电子产品制造的公司来说很友好，加工的时候不容易出问题。而且它可靠性高，比市场上其他一些材料更不容易出故障。
最后，杜邦材料的品质有口皆碑，用它做的产品往往更耐用，性能也更好。
2、杜邦材料的缺点
最大的缺点是怕热损坏。这种材料不耐高温，不建议用在需要高温工作的场景。
另外，杜邦材料对化学物质和溶剂的耐受性不强，那些需要高耐化学性的场景就不适合用它。
还有，杜邦材料不怎么有弹性，加工起来可能有点麻烦。最后，它的耐磨性也一般，时间长了可能会有磨损。
四、G10电路板材料
G10是一种玻璃纤维环氧树脂层压材料，机械性能和电气性能都很出色。它是热固性材料，成型后要加热固化，不能像热塑性材料那样重新塑形。
G10的强度重量比高，做电路板和其他结构件都很合适。它的电绝缘性也特别好，高压或高频的场景用它很理想。
G10有不同的厚度和颜色，所以应用范围很广，很受欢迎。
五、电路板材料的重要性能
1、电气性能
电路板材料最重要的电气性能是导电性。导电性越好，材料导电的能力就越强。电路板里用的铜箔厚度和类型会影响导电性，铜箔越厚，导电性越好。不过厚铜箔更贵，还会增加电路板的重量。
电路板里用的介电材料也会影响电气性能。最常见的介电材料是环氧树脂和玻璃纤维。环氧树脂比玻璃纤维的绝缘性好，所以那些要求低漏电的场景会用它。
2、导热性
导热性是衡量材料传热能力的指标。导热性高的电路板散热能力强，这对保证板上元件保持低温、正常工作很重要。
影响电路板材料导热性的因素有很多，比如材料类型、厚度和层数。
材料厚度对导热性也有影响。厚一点的材料导热性比薄的好，因为散热的表面积更大。
铜的导热系数是385W/m·K，铝只有205W/m·K。这说明铜的导热性更好，散热更快。
3、损耗角正切值/耗散因数（tan (δ) 或 Df）
电路板材料的损耗角正切值，是衡量材料受到电刺激时能量转化为热量损失多少的指标。它的单位是W/㎡，由材料的散热能力决定。损耗角正切值低，说明材料散热快；值高，说明散热慢。
电路板材料用在各种电子场景，比如电路板、天线、射频识别标签。设计这些产品的时候，损耗角正切值是很重要的考虑因素，因为它会影响材料受电刺激时产生的热量。
损耗角正切值高的话，材料可能会过热，损坏电子元件；而值低的话，就能保证元件保持低温、正常工作。
4、介质材料的相对介电常数（εr、Er 或 Dk）
相对介电常数（εr、Er 或 Dk）是描述介质材料储存电场能量能力的物理量，定义为介质中电场强度与真空中同条件下电场强度的比值，是无量纲参数。
它反映材料对电磁波的影响，直接关系信号传输速度（Dk越大，信号速度越慢）和阻抗匹配。不同材料Dk差异大，如空气约为1，FR-4板材通常在4.2-4.7之间，高频专用材料如Rogers 4350B约3.48。
在PCB设计，尤其是高频电路中，Dk的稳定性（随频率、温度变化小）至关重要，能减少信号损耗和延迟，保证通信质量。
PCB材料的介电常数是随频率变化的。下图展示了一些常见PCB覆铜板的介电常数与频率的关系。
介电常数（Dk）的变化会带来什么影响呢？介电常数会影响两个重要参数：特性阻抗和波速。信号在传输线中的传播速度公式是：
vp = c / √εr
其中c是真空中的光速。
由于介电常数会变化，信号中不同频率的成分传播速度会略有不同，这就会导致信号色散。另外，随着频率升高，介电常数会降低，传输线的特性阻抗就会增大。这最终会加剧高频信号的反射问题。所以，最好选择在我们关注的频率范围内，介电常数随频率变化比较平缓的材料。
上图显示，FR4系列材料的介电常数随频率变化的幅度比较大。这也是为什么在高速、高频应用中不推荐用这类材料（另一个原因是FR4系列PCB覆铜板的介质损耗比较高）。需要注意的是，遗憾的是，大多数制造商只在少数几个特定频率下标注介电常数值。
5、玻璃化转变温度（Tg）
玻璃化转变温度是聚合物从脆硬的玻璃态变成橡胶态的温度。对于聚合物材料来说，这个温度很重要，因为它决定了材料受到机械应力时的表现。
玻璃化转变温度高的聚合物材料比较脆，受到机械应力会碎；而温度低的则有弹性，变形了也不会断。
聚合物材料的玻璃化转变温度由其化学成分和结构决定。那些温度高的，由大而硬的结晶分子构成；温度低的，则由小而有弹性的分子构成。
电路板材料的玻璃化转变温度很重要，因为温度超过这个值，材料会太脆，容易断裂；低于这个值，材料又会太软，承受不了电路板制造和使用过程中的应力。
很多电路板材料的玻璃化转变温度在125℃左右，这意味着在125℃以下使用是安全的。温度在85℃左右的材料，安全使用温度就是85℃以下。
提高聚合物材料的硬度和结晶度，能提高它的玻璃化转变温度；增加柔韧性和分子量，则会降低这个温度。
充分了解这些特性以及传输线中的损耗机制，有助于我们为应用选择合适的PCB材料。材料选择是PCB设计过程的第一步。如今，高速数字电路板和射频产品的设计师可以从几十种可控介电常数（Dk）和低损耗的PCB材料中挑选。很多覆铜板供应商都开发了专属的树脂体系。
用低Dk和低损耗角正切的材料减少损耗
对于低损耗传输线，每英寸的介质损耗（单位为dB）可用以下公式表示：
αd（dB/ich）=2.32×f×tan(δ)×√εr
其中，f是以GHz为单位的频率。由此可见，介质损耗直接由材料的介电常数和损耗角正切决定。所以，我们可以选用损耗角正切（tan(δ)）和相对介电常数（εr）更低的材料，尽可能降低αd。对于超高速（Gbps）收发器，推荐三种材料：Nelco 4000-13EPSI、Rogers 4350B和松下Megtron 6。下图对比了这些材料与其他一些常见材料的损耗角正切。
6、玻璃纤维编织效应
如下图所示，PCB的覆铜板和芯板是用浸过树脂的玻璃纤维编织物制成的。这就使得这种材料本身存在不均匀性和各向异性。也就是说，板子上有些区域可能以玻璃纤维为主，而另一些区域则富含树脂。这在要求较高的应用中可能会出问题。想要更好地理解这一点，可以看看下面这两条走线。
上图中，走线1在纤维束上方，走线2则在树脂较多的区域。这说明，在同一块板子上，两条走线只因位置不同，感受到的有效介电常数就可能不一样。结果就是，同一块板上两条路径的信号速度可能不同，这在高速电路板中会导致时序偏移。
玻璃纤维有好几种编织方式，图5展示了其中一些。可以看到，材料的不均匀程度取决于玻璃纤维的编织类型和编织间隙大小。像106和1080这种编织较稀疏的玻璃布，比编织较紧密的类型更容易产生较大的时序偏移。编织稀疏的材料还会让电磁干扰和损耗问题更严重，这也是很不好的。
除了使用玻璃纤维分布更均匀的编织方式，我们也可以采用一些走线布线技巧，让整块板子的介电常数（Dk）更稳定。比如，让走线与纤维的经纬方向成一定角度，或者采用之字形布线，这能在一定程度上减轻玻璃纤维编织带来的影响。不过要注意，之字形布线会占用宝贵的板上空间，而且走线变长了还会增加损耗，却只能部分解决问题。
最后总结一下PCB由玻璃纤维与环氧树脂混合，覆铜蚀刻成电路，用于连接电子元件。射频常用材料有FR4（成本低、易加工，耐热性有限）、罗杰斯（高频适用，稳定性好但价高）、杜邦（环保、性价比高，不耐高温）、G10（绝缘性佳）。材料关键性能包括电气性能、导热性、损耗角正切值、介电常数、玻璃化转变温度等，还需考虑玻璃纤维编织效应，选择时需结合应用场景。
