通訊網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域PCB選材過程中的電性能與成本考慮

谷和平（愛德華光網(wǎng)絡(luò)（深圳）有限公司，廣東 深圳 518054）

通訊網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域PCB選材過程中的電性能與成本考慮

Paper Code: S-039

谷和平
（愛德華光網(wǎng)絡(luò)（深圳）有限公司，廣東 深圳 518054）

文章涉及的是用于通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)備領(lǐng)域的FR-4材料，而不涉及一些用于射頻領(lǐng)域的陶瓷基或聚四氟乙烯一類的材料。通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)正向著越來越高速的方向發(fā)展，目前已經(jīng)有25Gbps的背板系統(tǒng)以及28Gbps的線卡需求。隨著通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的高速趨勢(shì)，通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)備公司對(duì)PCB材料的Dk/Df值及銅箔粗糙度（電性能）提出了越來越高的要求，以達(dá)到減少插損的目的。同時(shí)，為了提高產(chǎn)品的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，對(duì)于材料的成本控制也有越來越多的考慮?；谖覀?cè)谠O(shè)計(jì)過程中的PCB材料選擇經(jīng)驗(yàn)，這里主要探討在PCB設(shè)計(jì)過程中，如何選擇出既能滿足產(chǎn)品信號(hào)完整性需求又具備成本優(yōu)勢(shì)的PCB材料。

印制電路板材料；介電常數(shù)/介質(zhì)損耗再正切銅箔粗糙度；信號(hào)完整性；材料成本

1 前言

在通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)備領(lǐng)域，目前25Gbps的背板系統(tǒng)已處于研發(fā)階段，同時(shí)線卡上PCB線路的速度也已經(jīng)達(dá)到了28Gbps，并且高速系統(tǒng)正在繼續(xù)成為一種發(fā)展趨勢(shì)。這對(duì)PCB材料的電性能有了更高要求。而與此同時(shí)，為了提高產(chǎn)品的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，對(duì)于材料的成本控制也有越來越多的考慮?；诟咚傧到y(tǒng)的需求，PCB材料公司推出了相應(yīng)低Dk和低Df的材料。如何選擇出既能滿足電性能需求又具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)的材料，已經(jīng)成為通訊網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域PCB設(shè)計(jì)者共同關(guān)注的課題。愛德華光網(wǎng)絡(luò)（ADVA）是一家總部在德國的全球性公司，在城域網(wǎng)中提供波分復(fù)用技術(shù)，產(chǎn)品系列已從單純的存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)連接方案擴(kuò)展到以太網(wǎng)和骨干網(wǎng)的解決方案。ADVA的產(chǎn)品需要多層次速度的PCB，在選材時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注材料的電性能及成本，這里介紹PCB材料選型的步驟和方法，包括對(duì)PCB材料電性能即Dk/Df測(cè)試和鑒別、銅箔粗糙度搭配使用、信號(hào)完整性仿真和測(cè)試以使所選材料滿足高速需求以達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)；同時(shí)，在選材過程中，比較不同級(jí)別材料之間的價(jià)格差異、同一級(jí)別中不同材料差異，盡可能使用較低級(jí)別的材料、并從同一級(jí)別中選用既具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)又有合格的電性能的材料，以達(dá)到降低PCB價(jià)格、節(jié)省成本的目的。

2 通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)備PCB的驅(qū)動(dòng)因素及其對(duì)材料發(fā)展的影響

用于通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的PCB設(shè)計(jì)，主要有著高速、高密度和成本三方面的驅(qū)動(dòng)。從而對(duì)PCB材料的發(fā)展產(chǎn)生了相應(yīng)的影響?？偨Y(jié)如圖1所示。

圖1

3 PCB材料發(fā)展現(xiàn)狀

低Dk和Df材料，比早期的是九十年代中期開發(fā)的Nelco N4000-13系列。隨著通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)備PCB的高速要求，PCB材料公司通過對(duì)材料樹脂體系和玻璃布的改良，從而改善材料電性能、熱性能以及機(jī)械加工性能，推出了多種、多層次的高速PCB板材，這其中包括Panasonic、Nelco、Isola、TUC、生益科技（SYL）、EMC、ITEQ、Hitachi等公司。同時(shí)，隨著通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的更高速需求，逐步注意到了銅箔粗糙度產(chǎn)生的插損，推出了粗糙度優(yōu)于普通銅箔的RTF、VLP和HVLP銅箔，以在PCB材料選型時(shí)搭配使用。在通訊網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，高速PCB設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)材料核心關(guān)注點(diǎn)為材料的電性能（Dk/Df和銅箔粗糙度）。因此，如圖示2，這里我們根據(jù)材料供應(yīng)商在材料規(guī)格書中提供的數(shù)據(jù) ，以材料的Dk/Df（電性能）為標(biāo)準(zhǔn)將這些材料分為六個(gè)等級(jí)，來說明PCB高速板材的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)。需要說明的是，圖示中沒有囊括所有材料，市場(chǎng)上有更多的材料類型。其中級(jí)別0材料為新一代電性能更具優(yōu)勢(shì)的材料，但目前正研發(fā)和試用，其電性能和成本信息還在測(cè)試和收集當(dāng)中。

4 PCB材料選型考慮因素

在PCB設(shè)計(jì)過程中，材料選型主要要考慮如圖3所示的因素：成本、電性能、機(jī)械加工性能、耐熱性能、UL認(rèn)證等因素。材料價(jià)格直接影響整個(gè)PCB的成本，材料電性能會(huì)影響到信號(hào)完整性，材料的機(jī)械加工性能和耐熱性能決定PCB的可靠性，而材料的UL符合性是PCB申請(qǐng)UL認(rèn)證的前提。這其中機(jī)械加工性能、耐熱性能、UL認(rèn)證是各個(gè)領(lǐng)域PCB選材時(shí)都要考慮的因素。

而對(duì)于通訊網(wǎng)絡(luò)PCB，由于由高速至低速系統(tǒng)的不同層次的要求，需要使用不同級(jí)別的PCB材料。而電性能與材料成本往往在選材時(shí)是相互制約的兩個(gè)因素，較高級(jí)別的材料通常具有較好的電性能，但成本也比較高；同時(shí)由于材料類型多，同一級(jí)別材料中也存在價(jià)格差異。

如何在選材時(shí)既能做到滿足PCB設(shè)計(jì)電性能要求，又做到成本控制，就需要通過對(duì)材料的電性能參數(shù)Dk/Df做出準(zhǔn)確的判斷和鑒別，對(duì)相應(yīng)等級(jí)的材料在必要時(shí)搭配低粗糙度的銅箔以保證材料電性能，以及成本調(diào)查了解各材料的成本差異。

本文重點(diǎn)討論P(yáng)CB選材過程中材料電性能和成本這兩方面的考慮。

圖2

圖3

5 如何在PCB選材過程中兼顧電性能與成本考慮

（1）PCB選材時(shí)的電性能考慮。

（2）PCB選材時(shí)的成本考慮。

（3）建立材料類型表供PCB選型參考。

（4）PCB材料選型應(yīng)用實(shí)例。

5.1 PCB材料電性能參數(shù)（Dk/Df）的鑒別和比較

為使得所選擇材料能夠滿足信號(hào)完整性要求，首先要對(duì)PCB材料的電性能參數(shù)（Dk/Df）進(jìn)行鑒別和比較。

5.1.1 材料之間電性能比較的途徑和判定標(biāo)準(zhǔn)

不同公司推出的材料之間的電性能對(duì)比，應(yīng)該通過在同一測(cè)試方法和條件下的進(jìn)行測(cè)試得出結(jié)論，以供PCB選材時(shí)參考。

雖然在材料供應(yīng)商所提供的規(guī)格書中，都提供了相應(yīng)半固化片和芯板的Dk和Df值。如果只是用材料規(guī)格書的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比是不可取的，PCB材料之間的電性能對(duì)比應(yīng)參考實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這是因?yàn)楦骷襊CB材料公司所使用的測(cè)試方法不盡相同。即使是相同的測(cè)試方法，由于測(cè)試過程中操作和測(cè)試條件的差異。如直接使用材料規(guī)格書上Dk/Df值將Nelco的Meterowave@2000和Isola的I-Tera進(jìn)行比較，它們都屬于級(jí)別1（如圖2所示），哪一種材料具有更優(yōu)的電性能？應(yīng)該通過在同一測(cè)試方法和條件下的進(jìn)行測(cè)試得出結(jié)論。因?yàn)閮杉夜臼褂昧瞬煌臏y(cè)試方法并且測(cè)試條件可能不同。Nelco的方法是Split Post Cavity而Isola的方法是Bereskin Stripline。

對(duì)材料電性能和比較，同時(shí)要求測(cè)試樣品的芯板類型完全一致、樹脂含量和芯板厚度盡可能接近，以消除由樣品本身帶來的比較差異。

材料電性能的判斷標(biāo)準(zhǔn)是：Dk和Df數(shù)值的高度和在各頻率下的穩(wěn)定性。因?yàn)榈虳k/Df會(huì)使插損減小，同時(shí)應(yīng)該注意到，在越來越高速設(shè)計(jì)中，Df是比Dk更重要的參數(shù)；穩(wěn)定性是指Dk/Df不能隨著測(cè)試頻率的升高而有明顯變化，將不利于信號(hào)完整性。如下所示公式可以看出Dk/Df與插損的關(guān)系。

介質(zhì)損耗 = 2.3×f×Df ×√ Dk （f=頻率）

5.1.2 用實(shí)際測(cè)試結(jié)果來進(jìn)行材料之間的電性能比較舉例

（1）樣品測(cè)試數(shù)據(jù)收集

級(jí)別0和級(jí)別1中的材料具有更好的電性能，在非常高速的PCB中才使用到這類材料。如表1所示共對(duì)兩個(gè)級(jí)別中的8種材料進(jìn)行Dk/Df測(cè)試，這其中沒有包含Panasonic的Megtron7， 該材料的樣品還試驗(yàn)階段，因此未收集到該材料樣品進(jìn)行測(cè)試。而對(duì)于6號(hào)材料和7號(hào)材料，因?yàn)樵摴静惶峁┰摵穸鹊?116芯板，其樣品是3313和相應(yīng)較高的樹脂含量，不同于其它材料。結(jié)合各材料規(guī)格書中2116與3313的Dk/Df差異比較，對(duì)此次比較結(jié)果不會(huì)帶來顯著影響。出于商業(yè)因素考慮，這里以樣品編號(hào)代替材料型號(hào)而不說明具體材料型號(hào)。

（2）Dk值比較

從圖4可以看出，如果僅僅依據(jù)各材料規(guī)格書上，那么Dk的優(yōu)勢(shì)順序是6＞3＞5＞7＞8＞4＞2=1，因?yàn)闇y(cè)試方法和條件的不同，這個(gè)比較方法是不可取的。

而在同一條件下測(cè)試，結(jié)果表明Dk優(yōu)勢(shì)順序卻是6＞5＞8＞3＞7＞4＞2＞1。這個(gè)比較結(jié)果才是合理的。 同時(shí)可以看出，隨著測(cè)試頻率的上升，Dk值通常將有所變化，從測(cè)試結(jié)果來看，各個(gè)材料Dk值在10 GHz和15 GHz條件性下的顯示出了較好的穩(wěn)定性，Dk值變化都在0.03以內(nèi)。

（3）Df值比較

從圖5可以看出，如果僅僅依據(jù)各材料規(guī)格書上，那么Df的優(yōu)勢(shì)順序是6＞5＞7＞8＞3＞2=1＞4，因?yàn)闇y(cè)試方法和條件的不同，這個(gè)比較方法是不可取的。

而在同一條件下測(cè)試，Df優(yōu)勢(shì)順序卻是5＞8＞3＞6＞4＞7＞2＞1。這個(gè)比較結(jié)果才是合理的。 同時(shí)可以看出，隨著測(cè)試頻率的上升隨著測(cè)試頻率的上升，Df值將有所上升，從測(cè)試結(jié)果來看，各個(gè)材料Df值在10 GHz和15 GHz條件性下的顯示出了較好的穩(wěn)定性，Df值變化都在0.0005以內(nèi)。

表1

（4）材料的電性能比較和判斷

根據(jù)1.1中所提到的判斷標(biāo)準(zhǔn)，5號(hào)材料具有最好的電性能，因?yàn)樵摬牧嫌凶詈玫腄f值和比較好的Dk值；其次是8號(hào)材料，其Df值僅次于5號(hào)材料且Dk也僅次于5號(hào)材料；再次是3號(hào)材料。6號(hào)材料雖然有最好的Dk值，但Df排在第四位；接下來是4號(hào)和7號(hào)材料；而1號(hào)和2號(hào)材料電性能相對(duì)較差，其中1號(hào)材料電性能最差。所以材料電性能優(yōu)勢(shì)順序是：5＞8＞3＞6＞4＞7＞2＞1。

5.2 低銅箔粗糙度的選用搭配

如6所示的公式是來自關(guān)于銅箔粗糙度和趨膚效應(yīng)對(duì)導(dǎo)體損耗貢獻(xiàn)度的研究。

圖4

由此公式可以看出，銅箔粗糙度越大，其帶來的導(dǎo)體損耗將越大。普通銅箔（THE）的粗糙大通常大于6 μm。隨著高速信號(hào)的傳輸要求，反轉(zhuǎn)銅箔（RTF）及VLP銅箔得以開發(fā)和應(yīng)用，其銅箔粗糙度可以達(dá)到3 μm左右。而隨著進(jìn)一步高速信號(hào)要求，HVLP銅箔或類似的銅箔能夠達(dá)到1 μm到2 μm的粗糙度。

在PCB材料選型過程中，搭配低粗糙度的銅箔，可以降低插損，從而提高材料的電性能。材料應(yīng)用表明，從級(jí)別4材料開始，應(yīng)該選用反轉(zhuǎn)銅箔（RTF）或VLP銅箔，逐步上升為HVLP銅箔或同等銅箔，這樣可以提高材料電性能，減小導(dǎo)體插損。隨著頻率的升高，由銅箔粗糙度的不同而產(chǎn)生的插損的差異越來越明顯，對(duì)材料搭配低粗糙度銅箔，會(huì)在高頻率情況下，明顯降低插損。

5.3 信號(hào)完整性仿真和測(cè)試驗(yàn)證和確認(rèn)所選PCB材料的符合性

信號(hào)完整性仿真和測(cè)試驗(yàn)證和檢查所選PCB材料的符合性，因?yàn)槠涫轻槍?duì)整個(gè)系統(tǒng)（包括PCB、連接器、芯片及整個(gè)系統(tǒng)）性能的評(píng)估，這里將它們作為材料選型時(shí)確認(rèn)電性能的一個(gè)步驟進(jìn)行提及，但信號(hào)完整性測(cè)試是針對(duì)整系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行的。

（1）信號(hào)完整性仿真來驗(yàn)證PCB材料電性能的符合性

通過信號(hào)完整性仿真，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，可以評(píng)估材料電性能的符合性。仿真有兩種：前仿真和后仿真。

前仿真即設(shè)計(jì)前的仿真，又稱為原理仿真。前仿真的目的是在設(shè)計(jì)前了解傳輸線的特性阻抗、過孔電容效應(yīng)及線間距對(duì)傳輸信號(hào)的影響等等，從而有利于PCB布線設(shè)計(jì)。這時(shí)候也有涉及PCB材料Dk/Df影響，只是初步的評(píng)估。

后仿真是在完成PCB設(shè)計(jì)之后，疊層設(shè)計(jì)及線路設(shè)計(jì)已定型的情況下，根據(jù)最終的設(shè)計(jì)參數(shù)，在生產(chǎn)PCB之前，對(duì)所設(shè)計(jì)的PCB進(jìn)行正確性檢查，包括傳輸質(zhì)量仿真、串?dāng)_仿真等。在PCB設(shè)計(jì)過程中加入后仿真的流程圖，通過后仿真的結(jié)果，可以檢查確認(rèn)之前的PCB材料電性能是否合適。

（2）信號(hào)完整性測(cè)試確認(rèn)所選材料的符合性

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)完整性測(cè)試是對(duì)整個(gè)產(chǎn)品性能的檢查。低損耗即低Dk/Df材料是通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)PCB設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)考慮的因素。在高速設(shè)計(jì)中，PCB材料的Dk/Df值對(duì)介質(zhì)損耗有非常大的貢獻(xiàn)度， PCB材料的Df值對(duì)介質(zhì)損耗直接正相關(guān)（最大貢獻(xiàn)度），而Dk也有一定的貢獻(xiàn)度，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的損耗。針對(duì)材料Dk值的設(shè)計(jì)優(yōu)化會(huì)影響阻抗連續(xù)性，而阻抗連續(xù)性對(duì)回?fù)p及串?dāng)_有直接影響。插損、回?fù)p及串?dāng)_是對(duì)系統(tǒng)無源測(cè)試主要的衡量指標(biāo)。從而影響整個(gè)系統(tǒng)的損耗。并且材料Dk值影響阻抗連續(xù)性，而阻抗連續(xù)性對(duì)回?fù)p及串?dāng)_有直接影響。

由于PCB材料的電性能顯著地影響著高速設(shè)備系統(tǒng)，通過進(jìn)行系統(tǒng)信號(hào)完整性測(cè)試，包括網(wǎng)絡(luò)信號(hào)質(zhì)量、軌道塌陷及電磁干擾，可以檢查之前所選擇的PCB材料的符合性。這其中的測(cè)試方法包括阻抗分析儀、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）和時(shí)域反射儀（TDR）。

5.4 PCB材料差異帶來的PCB成本變化調(diào)查

為確保在眾多類型的材料中選出低成本材料，要調(diào)查和了解PCB材料差異帶來的PCB成本變化。

由于每一種材料都存在多種類型的芯板和半固化片，如果價(jià)格對(duì)比只是針對(duì)其中一種芯片和化片進(jìn)行對(duì)比，或者是很有限種類的對(duì)比，其結(jié)果往往會(huì)在材料之間的成本比較過程中出現(xiàn)偏差，誤導(dǎo)PCB材料選型。因此價(jià)格對(duì)比過程中應(yīng)選用所有常用芯板和化片類型，然后算出價(jià)格的平均值，在材料之間進(jìn)行對(duì)比，從而得出大概PCB價(jià)格差異。

需要說明的是，由于PCB價(jià)格還要受到除材料以外的其它設(shè)計(jì)參數(shù)的影響，本文中列出的是由PCB材料差異帶來的大概的PCB成本降低比例。由于級(jí)別0是新開發(fā)的更優(yōu)的材料，尚處在研發(fā)和使用階段，其產(chǎn)生的PCB價(jià)格差異還需要進(jìn)一步收集。

（1）不同電性能級(jí)別的PCB材料導(dǎo)致的PCB成本差異

在五個(gè)級(jí)別的材料中（級(jí)別0材料還需收集更多信息），使用較低級(jí)別的材料比相鄰較高級(jí)別的材料將獲得顯著的PCB成本節(jié)約。

（2）同一級(jí)別中優(yōu)先材料類型帶來的PCB成本差異

即使在同一級(jí)別的材料中，這些材料都存在著價(jià)格差異甚至明顯差異。在電性能符合要求的前提下，應(yīng)該優(yōu)先使用具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)的材料，這樣可以達(dá)到成節(jié)約的目的。

我們?cè)趯?duì)PCB材料選擇中，對(duì)各個(gè)級(jí)別中總結(jié)出了一些優(yōu)先選用的材料類型。出于商業(yè)因素考慮，這里不列出那些優(yōu)先使用的具體材料類型。這些優(yōu)先選用類型具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)并且有相當(dāng)或更好的電性能。

5.5 信號(hào)完整性仿真避免PCB選材過設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)PCB過程中，如果以較低級(jí)別的材料能夠滿足信號(hào)完整性需求而采用了較高等級(jí)的材料，這將造成PCB成本浪費(fèi)。在這里將其稱之為PCB選材過設(shè)計(jì)。

通過型號(hào)完整性仿真，同樣如圖8所示的流程，可以避免過設(shè)計(jì)的問題，選擇出合適級(jí)別的PCB材料，從而達(dá)到使用低級(jí)別材料降低成本的目的。

5.6 使用特殊設(shè)計(jì)改善插損和信號(hào)傳輸質(zhì)量以提高使用低級(jí)別材料的可能性

一些PCB設(shè)計(jì)參數(shù)可以影響到插損從而對(duì)信號(hào)完整性構(gòu)成影響，如背鉆、盲孔（激光盲孔或機(jī)械盲孔）、表面處理。

（1）背鉆和盲孔設(shè)計(jì)

背鉆和盲孔的設(shè)計(jì)可以減小和消除鍍通孔帶來的信號(hào)傳輸影響，這是因?yàn)镻CB制造過程中鍍通孔其實(shí)可當(dāng)作是線路來看，某些鍍通孔端部的無連接，這將導(dǎo)致信號(hào)的折回共振也會(huì)減輕，可能會(huì)造成信號(hào)傳輸?shù)姆瓷?、散射、延遲等，給信號(hào)帶來“失真”的問題。如下圖11提供了一個(gè)鍍通孔、鍍通孔加背鉆和盲孔之間的眼圖對(duì)比，證明背鉆可以改善眼圖，而采用盲孔可獲得最佳效果。需要說明的是，這是一個(gè)示意圖，目的是說這些設(shè)計(jì)所帶來的差異。因此，使用背鉆和盲孔設(shè)計(jì)，可以改善信號(hào)傳輸質(zhì)量，從而避免走入使用用高級(jí)別材料解決這類問題的誤區(qū)、提高使用低級(jí)別PCB材料的可能性。

（2）表面處理的影響

芯片公司的研究表明，在信號(hào)傳輸過程中，由于PCB沉鎳金表面處理中金屬鎳層非常靠近導(dǎo)體表面，并且因?yàn)橼吥w效應(yīng)，高速信號(hào)傳輸會(huì)受到影響。這是因?yàn)殒囀且环N鐵磁體材料，其滲透率大概是100。這種表面處理的導(dǎo)線比銅導(dǎo)線大10倍左右的由趨膚效應(yīng)帶來的導(dǎo)體損耗，圖6中的公式也可以從理論上顯示這一點(diǎn)即當(dāng)滲透率越大，趨膚效應(yīng)帶來的導(dǎo)體損耗也越大。

因此，對(duì)于高速PCB，選用不含鎳表面處理可以減少插損，從而能提高使用低級(jí)別材料的可能性。OSP、沉錫、沉銀都建議作為高速PCB的表面處理。同時(shí)，OSP PCB價(jià)格更低，該表面處在大批量PCB中更具優(yōu)勢(shì)。

（3）使用高低級(jí)別材料混壓來降低材料級(jí)別

由于高速PCB中一些關(guān)鍵信號(hào)線通常只是分布某幾層，所以對(duì)于沒有高速信號(hào)線的芯板，可以使用低級(jí)別的材料甚至是普通材料。這樣可以帶來顯著地成本節(jié)約。

混壓是指疊層過程中將那些沒有高速信號(hào)線的層用低級(jí)別的材料芯板替代高級(jí)別的芯板，從而降低PCB價(jià)格?；靿旱脑瓌t是盡量使用這些不同級(jí)別的材料來自同一個(gè)材料供應(yīng)商，并且選型時(shí)盡量使用各材料的Tg值接近，減小PCB制板難度。

5.7 搭配低粗糙度銅箔改善插損以提高使用低級(jí)別材料的可能性

如前所述，搭配低粗糙度銅箔改善插損，可以提高使用低級(jí)別材料的可能性從而降低成本。

5.8 PCB選材時(shí)選用優(yōu)先使用材料類型降低成本

如圖10所示，即使是同一個(gè)級(jí)別的材料，不同材料（不同材料供應(yīng)商）也存在著價(jià)格差異。因此，PCB選材時(shí)，應(yīng)在滿足電性能要求的前提下，優(yōu)先選用這些材料可以降低PCB成本。

為了在PCB選材時(shí)兼顧材料的電性能和成本，這里根據(jù)我們的材料成本調(diào)查、測(cè)試結(jié)果和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，建立了一個(gè)材料類型表供選材時(shí)參考（如表2所示）。這里共總結(jié)了已經(jīng)成熟使用的五個(gè)級(jí)別的材料。更高端的設(shè)計(jì)可能要用到更高級(jí)別的材料，如級(jí)別0中的材料，其性能和價(jià)格都在測(cè)試和關(guān)注過程中，表2中暫時(shí)沒有包含這一類新開發(fā)的材料。

因?yàn)镻CB的頻率和線長(zhǎng)對(duì)總的插損有著關(guān)鍵的影響，這個(gè)表中包含了PCB的頻率和線長(zhǎng)，以及相應(yīng)需要選用的材料等級(jí)。同時(shí)，對(duì)每個(gè)級(jí)別，確立了一些優(yōu)先選用的類型，這些優(yōu)先選用的類型具有比較好的價(jià)格和同等或更好的性能。出于商業(yè)因素考慮，這里用字母來代替相應(yīng)的材料類型，而不列出具體的材料型號(hào)。

需要說明的是，對(duì)于具體的項(xiàng)目選材時(shí)應(yīng)綜合考慮設(shè)計(jì)目標(biāo)，并結(jié)合信號(hào)完整性仿真及測(cè)試。這是因?yàn)?，一方面具體通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)備系統(tǒng)有著具體的信號(hào)要求和設(shè)計(jì)目標(biāo)；另一方面，正如上述提及的一樣，一些設(shè)計(jì)如背鉆、盲孔、表面處理等會(huì)影響插損或信號(hào)傳輸質(zhì)量。

表2

如表3所示是我們PCB選材的一些成功應(yīng)用的實(shí)例，這些實(shí)例體現(xiàn)了PCB選材過程中，搭配必要的低粗糙度銅箔和為信號(hào)要求而做的特殊設(shè)計(jì)，在滿足電性能的前提下，使用較低級(jí)別的材料所帶來PCB成本節(jié)約，以及使用優(yōu)先選用類型所來的成本節(jié)約。

表3

6 總結(jié)

對(duì)于通訊網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域PCB材料選型， 需要重點(diǎn)關(guān)注材料的電性能和成本。因此，材料電性能參數(shù)（Dk/Df）的鑒別和比較、低粗糙度銅箔的搭配、材料電性能的符合性驗(yàn)證和檢查、PCB材料價(jià)格差異造成的PCB成本差異的信息收集、盡可能使用級(jí)別較低、選用優(yōu)先使用類型是PCB材料選型時(shí)建議采用的方法和步驟，并且，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)建立一個(gè)材料使用表，這樣可以兼顧材料電性能和成本考慮并達(dá)到設(shè)計(jì)目的。同時(shí)，正如前面PCB選材考慮因素中所提及的，一個(gè)材料好的耐熱性能、機(jī)械加工性能和UL符合性也是被選用的前提條件。

[1] Seth J. Normyle. The Impact of Conductor Surface Profile on Total Circuit Attenuation.

Telecommunications PCB material selection by electrical performance and cost

GU He-ping

In this paper, the discussion is about materials used in digital product in telecommunications field, excluding some materials with ceramic base or PTFE used on Radio Frequency. In Telecommunications field, there have been 25Gbps backplane system and 28Gbps run on a line card. Driven by high speed system, PCB design houses have higher and higher requirement to material Dk/Df and copper roughness so as to achieve minimized insertion loss. Meanwhile, material cost has been more considered to improve competitive advantage from product price. Based on our company material selection experience, here we discuss on how to select PCB material during designing process, which can have both good enough performance to meet product signal integrity and effective cost.

PCB Material; Dk&Df Copper Roughness; Signal Integrity; Material Cost

TN41

A

1009-0096（2015）03-0009-08