為什么FR4的介電常數DK值為4.2-4.8之間？

編者注：近日，有一位會員要求加工一款天線，指定必須要FR4的介電常數為4.5。我只能表示我無能為力，無法保證FR4這么精確的DK值。今天就來為大家解釋一下，為什么FR4（玻璃纖維環氧樹脂覆銅板）的介電常數（DK）值通常標注為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構強度。這樣有助于增加層壓板材料的機械穩定性，但這是否對材料電氣行為有什么影響？關于機織玻璃增強層壓PCB板的經典問題之一是“玻璃編織效應”可能會對加工在這些層壓板上的高速或高頻電路的電氣性能產生負面影響。

取決于玻璃纖維層壓板的特定樹脂系統，這種材料的介電常數（Dk）實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值的小區域可能是由玻璃纖維特有的物理織造結構造成，其中玻璃纖維織造物是由玻璃纖維束織造而成，同時在玻璃束與束之間還存在細小的開放區域（參見圖）。其中，玻璃纖維束的Dk通常約為6，而束之間的開放區域中的層壓體的Dk遠低于玻璃纖維束，通常為3左右。由于高速/高頻傳輸線的阻抗高度依賴于Dk，Dk值的變化一直是電路設計工程師使用織造玻璃層壓板的問題。

PCB【印制電路板】構成圖如下。半固化片和覆銅板就是我們常說的PP和芯板。其中的介質就是環氧樹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，每個型號厚度，編制尺寸都不相同。下面列舉一些常用玻璃纖維型號，可以很直觀的看到網格狀玻璃纖維布，有的型號空窗很大，有的型號空窗則很小幾乎沒有。

玻纖效應的具體影響，請看下記圖例，分別是對阻抗的影響、對延時的影響和對損耗的影響。

需要注意的是，玻纖效應對于高速長走線影響最大，低速系統或者很短的走線可以不考慮。

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

實際經驗表明，即使小至八分之一波長的異常也可能導致電磁波的傳播問題。在玻璃或玻璃束中具有八分之一波長或更高頻率的線路層壓板可能會受到玻璃束分布（以及相應的Dk發生變化）導致其性能不規則。鑒于可以用來加強不同線路層壓板的玻璃種類，這些玻璃中的若干類型在77GHz（0.012英寸）具有八分之一波長或更大的空隙并不罕見。

大概意思是：毫米波的波長小，當其尺寸和FR4玻璃纖維的“縫隙”相當時，其DK的波動變化就大。這就是FR4不適用于毫米波電路的原因之一。

關于對策，主要是材料選擇、設計規避以及生產規避。材料選擇規避：

1：使用空窗小的玻璃纖維布。也就是大家說的扁平玻璃布，開纖布等。從源頭避免由于玻璃纖維布空窗處有效介電常數波動的存在。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，除非介質較厚本來就需要多張PP疊加，否則個人看法不如第一種。一來是成本、二來PP超過三張制造時容易滑片。

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

設計規避：

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

2：重要信號旋轉角度布局，增加設計難度。小妙招是芯片FANOUT之后，在整體旋轉。

3：正常設計之后，拼板時旋轉7°拼板。這是相當于整版7°走線的騷操作。

生產規避：

正常設計讓板廠生產時將材料旋轉。我們用芯板是從大料上裁剪下來的，大料是方形的，旋轉裁剪勢必降低板材利用率，PP也得用更大張的。會增加了制造成本。

審核編輯：湯梓紅