低K與高K介電PCB基板材料介紹與分析

PCB基板材料是許多方面性能的主要決定因素。在任何實際的操作環(huán)境中，您都需要做出一些妥協(xié)，以確保您的下一塊板能夠按預(yù)期運行。PCB基板材料行業(yè)花費了大量時間來設(shè)計具有各種材料特性，編織樣式，粘合樹脂含量和介電特性的PCB芯和層壓材料。在標(biāo)準(zhǔn)PCB基板上進(jìn)行設(shè)計的任何人都可以在其下一板中使用大量的層壓板和核心材料。

PCB基板材料的介電常數(shù)可能比其他任何材料特性都重要，這是因為它對信號完整性和電源完整性的影響。在這場辯論中，通常會比較低k和高k介電層壓板用作PCB基板材料。用于3D打印的高級應(yīng)用的可用材料范圍不斷擴(kuò)大，并且許多特殊材料也變得可用。讓我們看一下低k與高k PCB基板材料的全面比較。

低K與高K介電基板的比較

許多在高頻或高速設(shè)計領(lǐng)域工作的設(shè)計人員通常建議使用Dk值較低的電介質(zhì)。低k PCB基板材料確實提供了許多信號完整性優(yōu)勢，這促使許多設(shè)計人員建議直接使用這些材料。盡管許多設(shè)計人員建議選擇低k介電基片，但這些材料具有某些優(yōu)點和缺點。下表顯示了低k介電材料的一些重要優(yōu)點和缺點。

從上面可以看出，低k介電材料在信號完整性方面提供了某些優(yōu)勢。但是，在需要極其精確布線的PCB中使用這些材料意味著要進(jìn)行一些微小的設(shè)計更改，以克服它們的缺點。

對于電源完整性而言，最重要的缺點可能是電源和接地層之間所需的去耦水平，因為使用低k材料會降低層間電容并增加PDN阻抗。為了克服這個缺點，需要將接地層和電源層放置得更近一些。當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)平面PCB層壓板時，這可能不可行，因為層厚度受芯和預(yù)浸料的厚度限制。

PCB基板材料中的分散

在低k和高k介電材料之間進(jìn)行選擇時，始終有一個因素值得懷疑：介電常數(shù)的分散。任何材料的這種特性是指介電常數(shù)和吸收常數(shù)隨信號頻率的變化。

由于信號傳播速度與介電常數(shù)成反比，因此信號帶寬內(nèi)Dk的變化會導(dǎo)致信號中不同的頻率分量以不同的速度傳播。類似地，信號帶寬內(nèi)吸收常數(shù)的變化會導(dǎo)致不同的頻率分量經(jīng)歷不同程度的衰減。

由于這些材料的非均質(zhì)各向異性特性，因此很難對PCB基板材料中的分散度進(jìn)行寬帶測量。這導(dǎo)致測得的Dk和吸收常數(shù)值顯著變化，這在很大程度上取決于測量技術(shù)。除了測量困難外，這些特性還是PCB互連中信號失真的重要決定因素。

在長互連中，色散會導(dǎo)致調(diào)制的模擬信號和高速數(shù)字信號在傳播過程中遭受明顯的衰減。由于不同的頻率分量在互連上以不同的速度傳播，因此信號在傳播過程中將伸展，而不管色散是正還是負(fù)。

測量，信號失真和建模方面的問題促使人們使用新型的低k PCB基板材料。3D打印系統(tǒng)及其使用的獨特材料正是在這里為高級RF和超高速數(shù)字設(shè)備提供了潛在的解決方案。

通過3D打印擴(kuò)展您的PCB基板材料范圍

3D打印系統(tǒng)利用多種替代材料進(jìn)行PCB制造，包括低k和高k聚合物作為PCB基板材料。與標(biāo)準(zhǔn)的PCB層壓板相比，這些材料具有明顯的優(yōu)勢。首先，它們不會受到纖維編織效應(yīng)的影響，當(dāng)在GHz范圍內(nèi)工作時，可以防止特定的EMI問題和不可預(yù)測的偏斜問題。這是毫米波頻率下的已知問題，通?？梢酝ㄟ^選擇具有更緊密編織圖案的平面基板來解決。

其次，聚合物目前在性能最好的3D打印PCB中用作基材。聚合物的介電性能可以通過摻雜，固化，共混和功能化來調(diào)節(jié)。隨著可用材料范圍的不斷擴(kuò)大，材料工程師將有更多選擇來調(diào)整材料參數(shù)，以滿足其特定的設(shè)計應(yīng)用。噴墨3D打印系統(tǒng)非常適合與一系列可低溫處理的聚合物懸浮液一起使用。

3D打印系統(tǒng)還為PCB制造提供了其他優(yōu)勢。這些系統(tǒng)可用于在逐層沉積工藝中制造具有任何幾何形狀或互連體系結(jié)構(gòu)的板。制造成本和時間是高度可預(yù)測的，因為它們僅取決于所印刷材料的重量，而不取決于成品PCB的復(fù)雜性。這使得這些系統(tǒng)非常適合用于高級PCB的超快速原型制作，以及立即擴(kuò)展到高混合量，小批量生產(chǎn)的需求。