環旭電子 | 【PCIe 5.0】PCB 的材料選擇性能優越的決定性關鍵

07/25/2023

【PCIe 5.0】PCB 的材料選擇性能優越的決定性關鍵

PCIe Gen5 技術的演進逐漸凸顯 PCB 材料選擇的重要性，這是整個系統性能的關鍵基石。PCIe Gen5 提供更高的數據傳輸速率，高達 32 GT/s，這要求 PCB 材料能讓信號損失最少，極大化數據完整性。這些材料必須具有優秀的介電常數(Dk)特性、低耗散因數(Df)和良好的熱導率，以應對信號高速傳輸所產生的熱量。適當的 PCB 材料可充分發揮 PCIe Gen5 的傳輸速度快、密度高的優勢，顯著提升系統性能。

在設計印刷電路板（PCB）或進行製造時，基本材料的選擇是一個常被忽視的關鍵因素。材料的選擇非常重要，因為它不僅會顯著影響電路板的功能，還會影響使用壽命和與其他硬件組件的兼容性。本文將詳細探討適用 PCIe Gen5 的 PCB 材料以及其中的重要作用，同時也將深入了解評估 PCB 性能的方法。

目錄
1) PCB 材料在設計中所扮演的核心角色
 2) 材料選擇中需要考慮的關鍵因素
 3) 一次看懂「介電常數Dk」和「耗散因數Df」
4) PCB 性能及表現評估
 5) 把關每一環，從專案源頭開始
 6) 常見問題 FAQ

PCB 材料在設計中所扮演的核心角色

PCB 材料的選擇不僅僅只有成本考量。所選擇的材料決定了 PCB 在不同環境和操作條件下的性能，整體的耐用性和抗磨損能力，以及它與其他系統元件的相互作用。在高速或高頻設計中，材料的選擇尤其重要，因為介電常數和耗散因數等特性可以顯著影響性能。

PCIe Gen5 常用的 PCB 材料包括 FR-4、聚酰亞胺、PTFE、Rogers 等，每種材料都有獨特的特性。在選擇 PCB 材料時，設計者必須考慮各種因素，包括操作環境、所需的電性能、成本、可製造性和交貨時間。

材料選擇中需要考慮的關鍵因素

操作環境：應考慮 PCB 的操作環境，如溫度、濕度和接觸化學物質等。某些材料在特定條件下可能表現更好，確保電子系統的可靠性。
所需的電性能力：不同的應用需要 PCB 具備特定的電性能。介電常數(Dk)、耗散因數(Df)、金屬表面粗糙度等參數在確定信號完整性和速度方面至關重要。
製造成本：成本通常是任何設計項目中重要的考慮因素。設計師必須在性能和預算限制之間取得平衡，做出具有成本效益的選擇，同時不妥協於質量。
製造可行性：所選材料應容易製造成所需的 PCB 設計，確保順暢的生產過程。
交貨時間：專案項目通常有嚴格的截止日期，選擇交貨時間較短的材料有利於滿足項目進度。

一次看懂「介電常數Dk」和「耗散因數Df」

介電常數（Dk）
介電常數（Dk）能夠用來衡量材料在電場中儲存電能的能力。簡單來說，它的數值呈現出信號在特定材料上的傳輸速度。較低的Dk值表示信號傳播速度更快，信號傳輸損失較少。在高速和高頻設計中，Dk是一個關鍵參數，它會影響阻抗、信號速度，同時取決於信號是否能完整傳輸。

耗散因數（Df）
另一方面，耗散因數（Df）能夠表現出信號隨著熱量的傳遞而損失的程度。較低的Df意味著較少的信號損失，這在高頻應用中尤其關鍵，因為信號大量的傳輸損失將會影響傳輸效率。

金屬表面粗糙度（Metal Surface Roughness）
金屬表面是否粗糙，在高於1GHz的高速訊號中所產生的損耗愈顯嚴重，由於金屬表面粗糙的問題，在PCIe Gen4 或 PCIe Gen5 所產生的損耗約佔3~4成，因此近年來金屬材料的選擇亦是PCB設計中關鍵參數。

在選擇 PCIe Gen5 的 PCB 材料時，這三個參數尤為重要，尤其是在高速或高頻設計中。以下是一些材料的例子和應用：

1.   FR-4
FR-4是一種廣泛使用且經濟效益極高的PCB材料，適用於各種應用。它常用於消費性電子產品、汽車系統和工業控制系統。然而，由於相對較高的Dk值，並不適用於高速傳輸的設計。

2.   聚亞醯胺（Polyimide）
聚亞醯胺以優異的散熱穩定性和靈活性而聞名，適用於需要高溫耐性的應用。它常用於航空、航天、軍事和醫療設備等多種在嚴苛條件下特別要求需要可靠性和性能的應用。

3.   聚四氟乙烯（Teflon）
聚四氟乙烯又俗稱為鐵氟龍板，以低Dk值和優異的電氣性能而聞名。它是高頻應用的首選，包括微波和射頻電路。它的低信號損耗和大範圍的溫度穩定性，讓它成為關鍵通信系統的理想選擇。

4.   羅傑斯系列（Rogers）
羅傑斯為一家產業界知名的PCB製造商，提供一系列高頻層壓板，具有不同的Dk值，專為苛刻的射頻和微波應用而設計。它們廣泛應用於電信、衛星通信、雷達系統和其他無線設備中。

PCB 性能及表現評估

一旦 PCB 設計進入最後階段，最重要的莫過於評估它的性能，進而確保電路板符合客戶需求。典型的 PCB 性能評估包括視覺檢查、電氣測試，此外還包括環境和機械測試。通常會使用自動光學檢查（AOI）和X光檢查等方法，對PCB板進行視覺檢查，找出潛在缺陷。為了檢查PCB板的電性功能，會進行飛針測試或板上測試等測試。另外還有環境測試程序如熱循環或濕度測試，可以確認PCB板在操作環境下的耐受能力。這個評估階段非常重要，因為它有助於及早識別潛在問題，降低操作使用中出現故障的風險，加強產品的可靠性和壽命。

把關每一環，從專案源頭開始

為 PCB 選擇完美的材料並非一蹴可幾。它需要深入了解特定應用的需求，並詳細檢查潛在材料的特性。介電常數、耗散因數、金屬表面粗糙度、熱導率和表面處理技術等因素對 PCB 的性能有重大影響。這也表示適合 PCIe Gen5 的 PCB 材料選擇，在實現卓越性能中扮演著關鍵基礎的重要角色。

USI環旭電子深諳各種材料在 PCB 設計和製造之間的各種細微差異，尤其是對於高階標準，如 PCIe Gen5。我們的專業團隊已經準備好協助客戶這項複雜的過程，透過細緻的調校，進而確保每一個決策，都能與客戶的個別需求相對應。堅定追求卓越是我們的信念，我們致力於為客戶設計並提供優質的 PCB以實現最佳性能。所有這些USI的專業團隊及知識，每一項都能夠協助客戶創造更加可靠、高性能的產品，為客戶強化市場上的地位。

常見問題 FAQs

Q1: 為什麼 PCB 材料的選擇這麼重要？
A：對於 PCIe Gen5 來說，PCB 材料的選擇會大幅影響板子的性能、耐用性和可靠性。它影響 PCB 在各種環境下的表現、與其他元件的相容性以及其壽命。

Q2: 選擇 PCB 材料時有哪些重要考慮因素？
A：選擇 PCB 材料取決於多個因素。這些包括 PCB 的操作環境、所需的電性、材料成本、材料的製造可行性以及供應時間表。在各項重點之間取得平衡是一門藝術，確保所選材料能夠滿足客戶的需求。

Q3: 能解釋 PCB 中介電常數(Dk)和損耗因數(Df)的意義嗎？
A：在 PCB 領域中，介電常數(Dk)衡量材料在電場中儲存電能的能力。然而，損耗因數(Df)則指出信號在傳輸時的能量損耗程度。這些特性對於高速或高頻率的 PCB 設計至關重要，會影響板子的性能。

Q4: PCB 的性能評估可以採用哪些方式？
A：PCB 的性能評估包括視覺檢查、電性測試，有時也包含環境和機械測試。方法包括自動光學檢查（AOI）、X光檢查、飛針測試、插件測試、熱循環測試和濕度測試。