近日，軟硬結(jié)合板廠的客戶(hù)指定必須要FR4的介電常數(shù)為4.5。但是廠家卻無(wú)法保證FR4這么精確的DK值。今天就來(lái)為大家解釋一下，為什么FR4（玻璃纖維環(huán)氧樹(shù)脂覆銅板）的介電常數(shù)（DK）值通常標(biāo)注為4.2-4.8之間？

  在印刷電路板（PCB）材料中添加編織玻璃可以增加材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。這樣有助于增加層壓板材料的機(jī)械穩(wěn)定性，但這是否對(duì)材料電氣行為有什么影響？關(guān)于機(jī)織玻璃增強(qiáng)層壓PCB板的經(jīng)典問(wèn)題之一是“玻璃編織效應(yīng)”可能會(huì)對(duì)加工在這些層壓板上的高速或高頻電路的電氣性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

  取決于玻璃纖維層壓板的特定樹(shù)脂系統(tǒng)，這種材料的介電常數(shù)（Dk）實(shí)際上是隨著位置以非常小的周期性的方式變化。這些具有不同Dk值的小區(qū)域可能是由玻璃纖維特有的物理織造結(jié)構(gòu)造成，其中玻璃纖維織造物是由玻璃纖維束織造而成，同時(shí)在玻璃束與束之間還存在細(xì)小的開(kāi)放區(qū)域（參見(jiàn)圖）。其中，玻璃纖維束的Dk通常約為6，而束之間的開(kāi)放區(qū)域中的層壓體的Dk遠(yuǎn)低于玻璃纖維束，通常為3左右。由于高速/高頻傳輸線(xiàn)的阻抗高度依賴(lài)于Dk，Dk值的變化一直是電路設(shè)計(jì)工程師使用織造玻璃層壓板的問(wèn)題。

  PCB構(gòu)成圖如下。半固化片和覆銅板就是我們常說(shuō)的PP和芯板。其中的介質(zhì)就是環(huán)氧樹(shù)脂和玻璃纖維布混合成的。（剛性印制電路板）

  玻璃布有很多種型號(hào)，每個(gè)型號(hào)厚度，編制尺寸都不相同。軟硬結(jié)合板廠下面列舉一些常用玻璃纖維型號(hào)，可以很直觀的看到網(wǎng)格狀玻璃纖維布，有的型號(hào)空窗很大，有的型號(hào)空窗則很小幾乎沒(méi)有。

  玻纖效應(yīng)的具體影響，請(qǐng)看下記圖例，分別是對(duì)阻抗的影響、對(duì)延時(shí)的影響和對(duì)損耗的影響。

  需要注意的是，玻纖效應(yīng)對(duì)于高速長(zhǎng)走線(xiàn)影響最大，低速系統(tǒng)或者很短的走線(xiàn)可以不考慮。

  下面舉一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明玻璃纖維如何對(duì)微帶傳輸電路產(chǎn)生影響：考慮一個(gè)具有頂部和底部（信號(hào)傳輸和微帶接地平面）的雙面覆銅層壓板，在10GHz時(shí)其Z軸（厚度）方向的介電常數(shù)DK為3.0。通常在較高的頻率，如毫米波頻率（30GHz及以上），DK的變化會(huì)影響材料的性能。例如，在77GHz通過(guò)電路傳播的信號(hào)的四分之一波長(zhǎng)約為0.024英寸，這也就意味著八分之一波長(zhǎng)約為0.012英寸。從理論上講，在大于感興趣頻率的四分之一波長(zhǎng)的情況下，當(dāng)電磁（EM）波在其傳播介質(zhì)上遇到任何類(lèi)型的DK變化，電磁波傳播將被破壞并且可能發(fā)生共振。

  實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，即使小至八分之一波長(zhǎng)的異常也可能導(dǎo)致電磁波的傳播問(wèn)題。在玻璃或玻璃束中具有八分之一波長(zhǎng)或更高頻率的線(xiàn)路層壓板可能會(huì)受到玻璃束分布（以及相應(yīng)的Dk發(fā)生變化）導(dǎo)致其性能不規(guī)則。鑒于可以用來(lái)加強(qiáng)不同線(xiàn)路層壓板的玻璃種類(lèi)，這些玻璃中的若干類(lèi)型在77GHz（0.012英寸）具有八分之一波長(zhǎng)或更大的空隙并不罕見(jiàn)。

  大概意思是：毫米波的波長(zhǎng)小，當(dāng)其尺寸和FR4玻璃纖維的“縫隙”相當(dāng)時(shí)，其DK的波動(dòng)變化就大。這就是FR4不適用于毫米波電路的原因之一。

  關(guān)于對(duì)策，主要是材料選擇、設(shè)計(jì)規(guī)避以及生產(chǎn)規(guī)避。材料選擇規(guī)避：

1：使用空窗小的玻璃纖維布。也就是大家說(shuō)的扁平玻璃布，開(kāi)纖布等。從源頭避免由于玻璃纖維布空窗處有效介電常數(shù)波動(dòng)的存在。例如：1067/1078/2116等。

2：使用多張PP疊加，降低露窗概率。方法是可行的，除非介質(zhì)較厚本來(lái)就需要多張PP疊加，否則個(gè)人看法不如第一種。一來(lái)是成本、二來(lái)PP超過(guò)三張制造時(shí)容易滑片。

3：使用低介電常數(shù)玻璃纖維布，降低玻璃纖維和環(huán)氧樹(shù)脂的介電常數(shù)差，減小空窗內(nèi)和空窗外的有效介電常數(shù)差。注意：低介電常數(shù)玻璃纖維布通常只配備超低損耗板材。也就是常說(shuō)的高速板材，成本高。

設(shè)計(jì)規(guī)避：

1：重要信號(hào)走帶有一定角度的線(xiàn)，3°、7°、11°等等都行，基本不增加成本，但是layout更難做一些，我覺(jué)得各位layout小伙伴已經(jīng)把這個(gè)仇記在小本本上了。

2：重要信號(hào)旋轉(zhuǎn)角度布局，增加設(shè)計(jì)難度。小妙招是芯片F(xiàn)ANOUT之后，在整體旋轉(zhuǎn)。

3：正常設(shè)計(jì)之后，拼板時(shí)旋轉(zhuǎn)7°拼板。這是相當(dāng)于整版7°走線(xiàn)的騷操作。

生產(chǎn)規(guī)避：

  正常設(shè)計(jì)讓軟硬結(jié)合板廠生產(chǎn)時(shí)將材料旋轉(zhuǎn)。我們用芯板是從大料上裁剪下來(lái)的，大料是方形的，旋轉(zhuǎn)裁剪勢(shì)必降低板材利用率，PP也得用更大張的。會(huì)增加了制造成本。