PCB基板材料的介电常数和信号完整性

TheWorld

PCB设计人员通常会忽略的PCB基板材料的一个方面是基板介电常数对PCB中信号完整性的影响。色散存在于任何材料中，这会使数字信号失真，尤其是在设备以非常高的速度切换时。设计人员在为其下一个设备选择合适的基板时，需要在成本，性能和其他材料特性之间进行权衡。

您应该使用高k或低k PCB基板材料吗？

回答这个问题实际上是在考虑介电常数和其他PCB基板材料属性之间的折衷。一些PCB基板材料（例如Rogers高速层压板或其他陶瓷材料）具有更理想的光学特性，但成本更高。这些其他材料在制造过程中可能更难以使用，因此它们也带来更高的制造成本。某些PCB基板材料更适合与RF电路和组件配合使用，并且可能是在极高速度和高频下运行的关键任务应用的最佳选择。

虽然我们通常考虑介电常数的虚部，但从布局的角度来看，实部（即折射率）也很重要。介电常数的实部决定电磁波在材料中传播的速度，而虚部则决定电磁波在材料中传播的增益或损耗。就PCB设计而言，介电常数和走线几何形状将决定信号如何沿走线传播。

标准FR4基板的介电常数约为4.5，尽管基板中使用的编织图案会影响介电常数的精确值。陶瓷填充的PTFE基板的介电常数可以从〜3调整到〜10，并且通过使用不同的填料和粘结材料可以将损耗降低一个数量级。调整对PCB基板材料中的分散性的影响各不相同，尽管最好的材料制造商将掌握这些数据以供设计人员使用。

实际部分：传播延迟和阻抗

如果您记得物理学上的101类，那么您就会知道折射率（即介电常数的实部的平方根）决定了电磁波在材料中传播的速度。迹线上的信号速度取决于有效介电常数，该有效介电常数由迹线的几何形状和PCB基板材料的介电常数确定。

注意，对于给定的基板材料，带状线的有效介电常数将大于微带线。如果查看微带线和带状线的阻抗方程式，则意味着在特征阻抗计算中不应包括介电常数的虚部。相反，阻抗仅由基板介电常数的实部和走线几何形状确定。

走线上的信号速度会影响到传输线行为的转变。迹线越长，信号的传播时间就越长。考虑传输线效应以及阻抗匹配和端接要求的关键阈值是传播延迟大于信号上升时间的〜35％。

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回答这个问题实际上是在考虑介电常数和其他PCB基板材料属性之间的折衷。