USI | 【PCIe 5.0】PCB 的材料选择性能优越的决定性关键

07/25/2023

【PCIe 5.0】PCB 的材料选择性能优越的决定性关键

PCIe Gen5 技术的演进逐渐凸显 PCB 材料选择的重要性，这是整个系统性能的关键基石。 PCIe Gen5 提供更高的数据传输速率，高达 32 GT/s，这要求 PCB 材料能让信号损失最少，极大化数据完整性。这些材料必须具有优秀的介电常数(Dk)特性、低耗散因数(Df)和良好的热导率，以应对信号高速传输所产生的热量。适当的 PCB 材料可充分发挥 PCIe Gen5 的传输速度快、密度高的优势，显著提升系统性能。

在设计印刷电路板（PCB）或进行制造时，基本材料的选择是一个常被忽视的关键因素。材料的选择非常重要，因为它不仅会显著影响电路板的功能，还会影响使用寿命和与其他硬件组件的兼容性。本文将详细探讨适用 PCIe Gen5 的 PCB 材料以及其中的重要作用，同时也将深入了解评估 PCB 性能的方法。

目录
1) PCB 材料在设计中所扮演的核心角色
 2) 材料选择中需要考虑的关键因素
 3) 一次看懂「介电常数Dk」和「耗散因数Df」
4) PCB 性能及表现评估
 5) 把关每一环，从专案源头开始
 6) 常见问题 FAQ

PCB 材料在设计中所扮演的核心角色

PCB 材料的选择不仅仅只有成本考量。所选择的材料决定了 PCB 在不同环境和操作条件下的性能，整体的耐用性和抗磨损能力，以及它与其他系统元件的相互作用。在高速或高频设计中，材料的选择尤其重要，因为介电常数和耗散因数等特性可以显著影响性能。

PCIe Gen5 常用的 PCB 材料包括 FR-4、聚酰亚胺、PTFE、Rogers 等，每种材料都有独特的特性。在选择 PCB 材料时，设计者必须考虑各种因素，包括操作环境、所需的电性能、成本、可制造性和交货时间。

材料选择中需要考虑的关键因素

操作环境：应考虑 PCB 的操作环境，如温度、湿度和接触化学物质等。某些材料在特定条件下可能表现更好，确保电子系统的可靠性。
所需的电性能力：不同的应用需要 PCB 具备特定的电性能。介电常数(Dk)、耗散因数(Df)、金属表面粗糙度等参数在确定信号完整性和速度方面至关重要。
制造成本：成本通常是任何设计项目中重要的考虑因素。设计师必须在性能和预算限制之间取得平衡，做出具有成本效益的选择，同时不妥协于质量。
制造可行性：所选材料应容易制造成所需的 PCB 设计，确保顺畅的生产过程。
交货时间：专案项目通常有严格的截止日期，选择交货时间较短的材料有利于满足项目进度。

一次看懂「介电常数Dk」和「耗散因数Df」

介电常数（Dk）
介电常数（Dk）能够用来衡量材料在电场中储存电能的能力。简单来说，它的数值呈现出信号在特定材料上的传输速度。较低的Dk值表示信号传播速度更快，信号传输损失较少。在高速和高频设计中，Dk是一个关键参数，它会影响阻抗、信号速度，同时取决于信号是否能完整传输。

耗散因数（Df）
另一方面，耗散因数（Df）能够表现出信号随着热量的传递而损失的程度。较低的Df意味着较少的信号损失，这在高频应用中尤其关键，因为信号大量的传输损失将会影响传输效率。

金属表面粗糙度（Metal Surface Roughness）
金属表面是否粗糙，在高于1GHz的高速讯号中所产生的损耗愈显严重，由于金属表面粗糙的问题，在PCIe Gen4 或 PCIe Gen5 所产生的损耗约占3~4成，因此近年来金属材料的选择亦是PCB设计中关键参数。

在选择 PCIe Gen5 的 PCB 材料时，这三个参数尤为重要，尤其是在高速或高频设计中。以下是一些材料的例子和应用：

1.   FR-4
FR-4是一种广泛使用且经济效益极高的PCB材料，适用于各种应用。它常用于消费性电子产品、汽车系统和工业控制系统。然而，由于相对较高的Dk值，并不适用于高速传输的设计。

2.   聚亚醯胺（Polyimide）
聚亚醯胺以优异的散热稳定性和灵活性而闻名，适用于需要高温耐性的应用。它常用于航空、航天、军事和医疗设备等多种在严苛条件下特别要求需要可靠性和性能的应用。

3.   聚四氟乙烯（Teflon）
聚四氟乙烯又俗称为铁氟龙板，以低Dk值和优异的电气性能而闻名。它是高频应用的首选，包括微波和射频电路。它的低信号损耗和大范围的温度稳定性，让它成为关键通信系统的理想选择。

4.   罗杰斯系列（Rogers）
罗杰斯为一家产业界知名的PCB制造商，提供一系列高频层压板，具有不同的Dk值，专为苛刻的射频和微波应用而设计。它们广泛应用于电信、卫星通信、雷达系统和其他无线设备中。

PCB 性能及表现评估

一旦 PCB 设计进入最后阶段，最重要的莫过于评估它的性能，进而确保电路板符合客户需求。典型的 PCB 性能评估包括视觉检查、电气测试，此外还包括环境和机械测试。通常会使用自动光学检查（AOI）和X光检查等方法，对PCB板进行视觉检查，找出潜在缺陷。为了检查PCB板的电性功能，会进行飞针测试或板上测试等测试。另外还有环境测试程序如热循环或湿度测试，可以确认PCB板在操作环境下的耐受能力。这个评估阶段非常重要，因为它有助于及早识别潜在问题，降低操作使用中出现故障的风险，加强产品的可靠性和寿命。

把关每一环，从专案源头开始

为 PCB 选择完美的材料并非一蹴可几。它需要深入了解特定应用的需求，并详细检查潜在材料的特性。介电常数、耗散因数、金属表面粗糙度、热导率和表面处理技术等因素对 PCB 的性能有重大影响。这也表示适合 PCIe Gen5 的 PCB 材料选择，在实现卓越性能中扮演着关键基础的重要角色。

USI环旭电子深谙各种材料在 PCB 设计和制造之间的各种细微差异，尤其是对于高阶标准，如 PCIe Gen5。我们的专业团队已经准备好协助客户这项复杂的过程，透过细致的调校，进而确保每一个决策，都能与客户的个别需求相对应。坚定追求卓越是我们的信念，我们致力于为客户设计并提供优质的 PCB以实现优异性能。所有这些USI的专业团队及知识，每一项都能够协助客户创造更加可靠、高性能的产品，为客户强化市场上的地位。

常见问题 FAQs

Q1: 为什么 PCB 材料的选择这么重要？
A：对于 PCIe Gen5 来说，PCB 材料的选择会大幅影响板子的性能、耐用性和可靠性。它影响 PCB 在各种环境下的表现、与其他元件的相容性以及其寿命。

Q2: 选择 PCB 材料时有哪些重要考虑因素？
A：选择 PCB 材料取决于多个因素。这些包括 PCB 的操作环境、所需的电性、材料成本、材料的制造可行性以及供应时间表。在各项重点之间取得平衡是一门艺术，确保所选材料能够满足客户的需求。

Q3: 能解释 PCB 中介电常数(Dk)和损耗因数(Df)的意义吗？
A：在 PCB 领域中，介电常数(Dk)衡量材料在电场中储存电能的能力。然而，损耗因数(Df)则指出信号在传输时的能量损耗程度。这些特性对于高速或高频率的 PCB 设计至关重要，会影响板子的性能。

Q4: PCB 的性能评估可以采用哪些方式？
A：PCB 的性能评估包括视觉检查、电性测试，有时也包含环境和机械测试。方法包括自动光学检查（AOI）、X光检查、飞针测试、插件测试、热循环测试和湿度测试。