在HDI板设计中,选材从来不是拍脑袋的事。不同等级的FR4与高速材料,在电性能、热稳定性、加工工艺乃至成本上的差异,会直接影响最终成品的可靠性与性能。下面结合我们工程中的一些实际取舍,谈谈板材选择的关键点。
电性能不只是Dk/Df,高频设计首先要避坑
FR4虽是最常用基材,但其电性能对高频信号并不友好。通常FR4的介电常数(Dk)在4.24.8之间,损耗因子(Df)约为0.020.035,这在1GHz以上就可能导致信号完整性下降,尤其在差分对设计中表现明显。相比之下,主流高速材料Df可低至0.002~0.005,适合10Gbps以上的应用场景。
但实践中,并非所有高速信号都非得用高速板材。我们通常认为:只要单板走线长度不长、信号边沿不过快、串扰容忍度适中,低速段(<3Gbps)仍可用低Dk的中高端FR4(如S1000-2M)兼顾成本。
热性能与可靠性:Tg与CTE不是越高越好
玻璃化转变温度(Tg)是板材热稳定性的一个指标,但在HDI中更关键的是热膨胀系数。FR4的Z向CTE常在55~70 ppm/°C之间,遇热冲击或多次回流时易造成通孔裂纹。高速材料如MEG6通常CTE控制在45 ppm/°C以下,配合低吸水率和更高的热分解温度(Td),热应力表现明显更稳。
我们在做多次回流(>3次)或高功率密度模块板时,必须评估CTE匹配情况。实践中曾遇到一款FR4板在BGA底部反复翘曲,事后发现Z向CTE偏高是主因。
叠层设计:材料介电一致性决定信号路径稳定性
HDI叠层中常涉及混压工艺,若板材种类差异大,会导致不同层间介电特性不一致,从而引发阻抗不连续和时序问题。我们曾尝试FR4夹高速材料的方案,希望控制成本,但发现高速信号跨界层后反射严重,最终只能全板采用统一高速材料。
需注意,部分高速材料的加工窗口比FR4窄,对压合温度、化学处理兼容性有更高要求,选型前建议咨询PCB厂确认是否具备对应工艺能力。
导热性能:不是大电流才关注热阻
即便是信号板,只要芯片功率密度高,热管理都不能忽视。标准FR4的导热系数约为0.25 W/mK,高速材料略优,部分填料型材料可达0.8~1.0 W/mK,但工艺难度和成本同步上升。铜的导热系数约为398 W/mK,因此大电流路径或散热铜块设计常用于降低整体热阻。
选型误区:不能只看参数,还要看可加工性与供货周期
除了性能本身,材料的加工适配性和供应稳定性也决定项目成败。例如部分进口高速材料需特殊钻针、预处理设备或特殊压合曲线,不是所有PCB厂都支持。此外,交期也比普通FR4长2~4周不等,对快节奏项目是一大挑战。