为您的PCB设计选择合适的层压材料
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虽然PCB设计主要依赖经验证的FR-4基板，但许多设计需要更稳健的温度或频率性能，以确保电路最佳性能。在选择合适的PCB层压板时，AdvancedPCB（APCB）可以为您提供帮助。表1展示了详尽的层压板列表。虽然乍看之下令人不知所措，但每种基材在各自的应用上都有独特的优势。在选择基材之前，了解其对设计的影响非常重要。本教程旨在帮助设计师选择复合材料，并解释为什么FR-4的替代品可能更具优势。
表1：AdvancedPCB提供的层压板列表。
50多年来，FR-4层压板一直是PCB制造的首选材料。由于FR-4的热性能、尺寸稳定性和具有竞争力的价格，它成为早期G10和FR-5同类机型的首选。然而，FR-4 可能不适合需要更好热性能或高频性能的电路，或两者兼有。
射频
高频电路板，如卫星、基站、蜂窝或雷达发射接收机，在不同频段表现不同——例如介电常数（Dk）、耗散因子（Df）以及Dk对频率和温度的稳定性。在10 GHz时，典型的Df值为~.020，Dk值在3.8至4.8之间，使用标准FR4板时，PCB频率上升时损耗会大幅增加。这将是不可接受的性能下降，需要定制介质，以减少高频下耗散射频能量。高频电路依赖精心布置的传输线，而非基本的铜线走线;这些传输线的横截面尺寸完整性对于保持恒定阻抗（通常为50 Ω）至关重要。这些电路包括带状线、微带线或接地共面波导（GCPW）;柔性PCB有类似变体，带有网格地平面以促进基板的灵活性。图1展示了微带线的布局和阻抗方程。传输线间阻抗的任何变化都会导致不必要的信号反射和损耗（或插入损耗/衰减）。
图1：微带传输线及其方程。
这些尺寸应尽可能稳定，以保持恒定阻抗或最小化电长随时间和温度的变化。为此，应采用热膨胀系数（CTE）低或与PCB铜导体高度匹配的材料。这样，当应用环境温度升高时，介电膨胀不会对设计产生不利影响。
如表2所示，Isola、Rogers和Taconic提供专为射频和微波应用设计的PCB层压材料。
表2：射频应用的APCB层压板列表。
这些层压板通常需要不同类型的B级/预预压片，用于多层设计。常用的层压板是RO4000系列。它包括RO4350B层压板，这是一种陶瓷基底的层压板，可以通过标准的FR4型多层工艺制造，使制造更为简便。虽然基板作简便，但损耗远低于FR4（Df <.00037），如图2所示。（图2摘自罗杰斯技术市场经理John Coonrod在PCB007杂志刊登的《电路材料与PCB的高频损耗》。）
如表所示，聚四氟乙烯（PTFE）或特氟龙是射频设计中受欢迎的选择。该介质具有极低的损耗特性（10 GHz时Df ~0.001），使其更适合高频传输线。有不同的配方和层压板，但在多层结构中较为困难（相比RO4000系列），因为它们通常需要高温粘结膜或粘合剂。
图2：使用不同介电材料和共用铜导体的微带线对频率的插入损耗。
高速数字
高速数字（HSD）材料也需要低Dk和Df层压板和预预售价。然而，与可能利用PTFE的高频射频和毫米波电路相比，Dk在温度下通常不那么关键。因此，许多高速数字设计也采用RO4000系列，基底为碳氢化合物/陶瓷。先进的FR-4层压板也是不错的选择，包括松下的Megtron 6、Isola FR408HR和Nelco N4000-13ep，因为这些材料的配制比标准FR-4材料具有更低的Df和更稳定的Dk。
如表3所示，通常在玻璃转变温度（Tg）为因素时使用改良环氧树脂。这是材料从刚性玻璃转变为柔软橡胶材料的区域;高Tg在高温下具有刚性且稳定的结构。在HSD设计中，微小的轨迹差会导致差分对之间的时间延迟。因此，强尺寸稳定性至关重要。
表3：APCB用于HSD应用的层压材料列表。
虽然环氧树脂是PCB最常用的树脂系统，HSD电子设备则使用改良环氧树脂，这些环氧树脂经过专门配方以保持稳定的Dk和最小的Df，并优化焊锡耐热性和长期热老化性能。通过这种方式，客户可以享受环氧树脂固有的制造性以及材料的高强度、刚性和耐化学性。环氧树脂可能导致导电阳极丝（CAF）失效，由于施加的电场作用，在绝缘PCB基板上形成导电通路，使其具有导电性。这通常需要使用抗CAF材料。
聚酰亚胺
聚酰亚胺材料被用于需要更高热性能的设计，无论电路是否因内置电源设备而过热，还是在高温环境下工作。这些材料具有极高的耐高温能力，Tz可保持在约260°C，分解温度（Td）超过400°C。 最高工作温度（MOT）范围可为140°C至210°C，远高于FR-4的MOT约为130°C。 该材料经过优化以控制CTE，具有低z轴CTE，因此尺寸稳定性最佳。
Flex Board 聚酰亚胺：Pyralux AP
聚酰亚胺薄膜是柔性和刚性柔性板材拓扑的首选，如图3所示，这些拓扑包括：
覆衣或覆层
铜包层材料作为基材
粘合胶合板和胶水（或预售）
刚性层压板
覆盖层和粘合胶合板材料都使用聚酰亚胺薄膜，缓冲板体同时与板材本身弯曲，而粘合层则固定在铜线上。聚酰亚胺基板的热稳定性促进了整个PCB堆叠过程中的稳定性和走线保护，无论其弯曲如何。
图3：3型柔性板的横断面图。
结论
为了更好地定制PCB层压板以适应不同应用，可以调整多个因素。例如，较高的Tg确保材料在高温下对CTE控制更强，在极高温下变形更少。其他材料可以配制以降低Df并提供稳定的Dk，以确保基底在频率上提供可靠的阻抗。根据应用情况，咨询第三方制造商，了解所用材料在成本、制造时间或性能方面的限制。
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