การเลือกวัสดุ PCB ความเร็วสูงเพื่อความสมบูรณ์ของสัญญาณ

ในแผงวงจรความเร็วสูง แผ่นลามิเนตเป็นส่วนหนึ่งของวงจร คุณสมบัติทางไฟฟ้าของฉนวนจะกำหนดรูปร่างของสายส่งสัญญาณทุกเส้นบนแผงวงจร กำหนดเวลาหน่วงในการส่งสัญญาณ และกำหนดว่าส่วนใดของแต่ละขอบจะคงสภาพอยู่ได้ตลอดการเดินทางจากตัวส่งไปยังตัวรับ ดังนั้น การเลือกวัสดุจึงเป็นการตัดสินใจที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งในการออกแบบทั้งหมด และในปี 2026 ก็เป็นหนึ่งในเรื่องที่มีข้อจำกัดด้านอุปทานมากที่สุดเช่นกัน คู่มือนี้จะอธิบายถึงคุณสมบัติของวัสดุที่สำคัญต่อความสมบูรณ์ของสัญญาณ เมื่อใดที่ FR-4 มาตรฐานไม่เพียงพออีกต่อไป สิ่งที่ฮาร์ดแวร์ AI และเครือข่ายต้องการจริงๆ และวิธีการเลือกวัสดุให้แน่นอนตั้งแต่เนิ่นๆ เพื่อไม่ให้โครงการต้องหยุดชะงักเนื่องจากวัสดุเกรดดังกล่าวหาไม่ได้

คุณสมบัติทางวัสดุที่สำคัญ

คุณสมบัติของวัสดุเคลือบสี่ประการมีบทบาทสำคัญในการเลือกใช้วัสดุความเร็วสูง ค่าคงที่ไดอิเล็กตริก (Dk) กำหนดค่าอิมพีแดนซ์และความเร็วในการแพร่กระจาย ค่าตัวประกอบการสูญเสีย (Df) กำหนดค่าการสูญเสียไดอิเล็กตริก อุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะของแก้ว (Tg) กำหนดความทนทานต่อความร้อนของเรซินระหว่างการประกอบและการใช้งาน และค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแกน z จะควบคุมความน่าเชื่อถือผ่านการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ สำหรับความสมบูรณ์ของสัญญาณความเร็วสูงโดยเฉพาะ Dk และ Df เป็นคู่ที่สำคัญที่สุด: Dk เพราะการควบคุมอิมพีแดนซ์ขึ้นอยู่กับมัน และ Df เพราะการสูญเสียการแทรกขึ้นอยู่กับมัน

คุณสมบัติที่ห้าซึ่งมักถูกมองข้ามคือความเสถียรของค่า Dk — ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกคงที่มากน้อยเพียงใดเมื่อพิจารณาจากความถี่และรูปแบบการทอใยแก้ว ผลกระทบจากการทอใยแก้วอาจทำให้ค่า Dk เปลี่ยนแปลงไปในแต่ละจุด ซึ่งส่งผลให้เกิดความคลาดเคลื่อนระหว่างคู่สัญญาณดิฟเฟอเรนเชียล นี่คือเหตุผลที่การออกแบบความเร็วสูงบางครั้งระบุให้ใช้ใยแก้วแบบกระจายหรือแบบหมุนเชิงกล ความสัมพันธ์ระหว่างพารามิเตอร์เหล่านี้มีรายละเอียดอยู่ในหัวข้อค่าคงที่ไดอิเล็กตริกและค่าแทนเจนต์การสูญเสียและภาพรวมวัสดุ PCB ความเร็วสูง โดยทั่วไป

ทำความเข้าใจเกี่ยวกับ Dk, Df, Tg และ CTE

ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก (Dk)เป็นตัวกำหนดความเร็วในการแพร่กระจายของสัญญาณและรูปทรงของเส้นทางนำไฟฟ้าที่จะให้ค่าความต้านทานเป้าหมาย ค่า Dk ที่ต่ำและเสถียรมากขึ้นจะช่วยให้การแพร่กระจายเร็วขึ้นและควบคุมความต้านทานได้ง่ายขึ้น ความผิดพลาดของค่า Dk จะส่งผลให้เกิดความผิดพลาดของความต้านทานโดยตรง ดังนั้นการออกแบบจึงต้องใช้ค่า Dk จริงของวัสดุเคลือบแทนที่จะใช้ค่าที่ระบุในเอกสารข้อมูล

Df (ปัจจัยการสูญเสียพลังงาน, ค่าแทนเจนต์การสูญเสีย)กำหนดว่าฉนวนดูดซับพลังงานสัญญาณได้มากแค่ไหน FR-4 มาตรฐานมีค่า Df ที่ยอมรับได้ที่ความเร็วต่ำ แต่สูงเกินไปสำหรับช่องสัญญาณความเร็วสูงที่มีความยาวมาก เกรดที่มีการสูญเสียต่ำจะใช้เรซินชนิดพิเศษเพื่อลดค่า Df ลงอย่างน้อยหนึ่งลำดับ ซึ่งเป็นสิ่งที่ทำให้การสูญเสียการแทรกสัญญาณอยู่ในงบประมาณที่อัตรา SerDes สูง

Tg (อุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะของแก้ว)คืออุณหภูมิที่เรซินอ่อนตัวลง วัสดุที่มี Tg สูง (170 องศาเซลเซียสขึ้นไป) ทนต่อความเครียดจากความร้อนของการประกอบแบบไร้สารตะกั่วและการทำงานที่อุณหภูมิสูงได้ดี แต่การระบุวัสดุที่มี Tg สูงในกรณีที่โปรไฟล์ความร้อนไม่ต้องการนั้น จะเพิ่มต้นทุนวัสดุประมาณ 20-40% โดยไม่ก่อให้เกิดประโยชน์ ซึ่งเป็นค่าใช้จ่ายที่หลีกเลี่ยงได้ในตลาดปัจจุบัน ดูรายละเอียดเพิ่มเติมได้ที่วัสดุ PCB ที่มี Tg สูง

ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE)โดยเฉพาะค่าในแกน z จะเป็นตัวกำหนดว่าแผ่นวงจรจะขยายตัวมากน้อยเพียงใดเมื่อผ่านการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ค่า CTE ในแกน z ที่สูงจะทำให้เกิดความเครียดกับรูทะลุที่เคลือบไว้ และเป็นปัญหาด้านความน่าเชื่อถือสำหรับแผ่นวงจรที่มีจำนวนชั้นสูงและผ่านการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิหลายครั้ง วัสดุที่มีค่า CTE ต่ำและการจัดเรียงชั้นวัสดุที่สมดุลจะช่วยลดปัญหานี้ได้

เมื่อ FR4 ไม่เหมาะสมอีกต่อไป

FR-4 ยังคงเป็นวัสดุที่เหมาะสมสำหรับแผงวงจรส่วนใหญ่ แต่จะไม่เหมาะสมอีกต่อไปเมื่อค่าความสูญเสียของช่องสัญญาณไม่สามารถทนต่อค่า Df ของ FR-4 ในความยาวเส้นทางที่ต้องการและอัตราการส่งข้อมูลที่ต้องการได้ โดยทั่วไปแล้ว FR-4 จะเริ่มไม่เหมาะสมเมื่อช่องสัญญาณเข้าใกล้ช่วงกิกะบิตที่สูงขึ้นและความยาวเพิ่มขึ้น ที่อัตรา SerDes 112G และ 224G วัสดุที่มีความสูญเสียต่ำจะกลายเป็นสิ่งจำเป็น เนื่องจากค่าความสูญเสียจากการแทรกของ FR-4 จะทำให้ช่องสัญญาณปิดลง ส่วนหน้าของวงจร RF และไมโครเวฟ ซึ่งความเสถียรของค่า Df และ Dk มีความสำคัญอย่างยิ่ง ก็อยู่นอกเหนือขอบเขตของ FR-4 เช่นกัน

หลักการสำคัญคือการตัดสินใจนี้โดยพิจารณาเป็นรายช่องสัญญาณและรายชั้น ไม่ใช่รายแผ่นวงจร การออกแบบหลายๆ แบบผสมผสานช่องสัญญาณความเร็วสูงจำนวนหนึ่งเข้ากับสัญญาณธรรมดาส่วนใหญ่ และข้อกำหนดความเร็วสูงจะใช้เฉพาะกับชั้นเฉพาะเท่านั้น นี่คือสิ่งที่ทำให้โครงสร้างแบบไฮบริดมีคุณค่ามาก: วัสดุคุณภาพสูงจะถูกใช้เฉพาะในส่วนที่งบประมาณการสูญเสียกำหนดไว้เท่านั้น การวิเคราะห์เกณฑ์อยู่ในหัวข้อเกี่ยวกับ PCB ความเร็วสูงและคำแนะนำในการออกแบบ PCB ความเร็วสูงสำหรับการผลิต EM-892K สำหรับแพลตฟอร์มความเร็วสูงให้ตรวจสอบโครงสร้างวัสดุ โปรไฟล์ทองแดง และโครงสร้างสำเร็จรูปเทียบกับข้อกำหนดของช่องสัญญาณก่อนที่จะอนุมัติการผลิต

การเลือกใช้วัสดุสำหรับฮาร์ดแวร์ AI และเครือข่าย

ฮาร์ดแวร์ AI และเครือข่ายความเร็วสูงอยู่ในระดับสูงสุดของวัสดุ ความก้าวหน้าของแพลตฟอร์มการประมวลผล AI ส่งผลให้เกรดของ CCL สูงขึ้น และในแต่ละขั้นจะมีการเปลี่ยนแปลงเคมีของเรซิน โปรไฟล์ของแผ่นทองแดง และเกรดของผ้าใยแก้วไปพร้อมๆ กัน ซึ่งเป็นการเพิ่มต้นทุนวัสดุแบบทวีคูณ แทนที่จะเพิ่มขึ้น ตัวเลขจากอุตสาหกรรมระบุว่า M6 มีราคาประมาณ 3–5 เท่าของ FR-4 มาตรฐาน, M7 ที่ 6–9 เท่า, M8 ที่ 10–15 เท่า และ M9 Q-glass ที่ 15–20 เท่า โดยเกรด M10 รุ่นต่อไปอยู่ในขั้นตอนการรับรองคุณภาพโดยมีเป้าหมายค่า Df ต่ำกว่า 0.002 สำหรับการส่งสัญญาณ 448G+

สำหรับแผงวงจรเครือข่ายความเร็วสูงส่วนใหญ่ เกรดการสูญเสียปานกลางถึงต่ำ (ระดับ M4–M7) เพียงพอต่อความต้องการ โดยมีตระกูลต่างๆ เช่น Panasonic Megtron 6/7, Isola I-Tera/I-Speed, TUC Tachyon, EMC และ Iteq ที่ใช้กันทั่วไป แผงวงจรประมวลผล AI และแผงวงจรกลางที่มีอัตราสูงที่สุดจะใช้เกรด M8/M9 ซึ่งใช้ฟอยล์ทองแดง HVLP และผ้าใยแก้วควอตซ์ เนื่องจากเกรดเหล่านี้เป็นวัสดุที่มีข้อจำกัดมากที่สุดในภาวะขาดแคลนวัสดุ PCB ในปัจจุบัน การเลือกใช้จึงต้องพิจารณาถึงคุณสมบัติทางไฟฟ้าควบคู่ไปกับวัสดุเทียบเท่าที่มีคุณสมบัติเหมาะสม และแผนการจัดสรร รายละเอียดการใช้งานอยู่ในส่วนวัสดุ PCB สำหรับเซิร์ฟเวอร์ AIและบริบทด้านอุปทานอยู่ใน ส่วน การวิเคราะห์ความต้องการ PCB สำหรับเซิร์ฟเวอร์ AI

ข้อควรพิจารณาในการวางแผนการจัดเรียงซ้อน

การวางแผนการเรียงชั้นวัสดุเป็นขั้นตอนสำคัญในการเลือกวัสดุเพื่อสร้างแผงวงจรที่ใช้งานได้จริง มีหลายปัจจัยที่ต้องพิจารณาสำหรับงานออกแบบความเร็วสูง ชั้นสัญญาณความเร็วสูงทุกชั้นจำเป็นต้องมีระนาบอ้างอิงที่แข็งแรงอยู่ติดกันเพื่อให้เส้นทางส่งกลับที่สะอาด ชั้นสัญญาณที่อ้างอิงกับระนาบที่แยกหรือมีช่องว่างจะทำให้เกิดความไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์และสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ความหนาของฉนวนระหว่างชั้นสัญญาณและชั้นอ้างอิงจะเป็นตัวกำหนดอิมพีแดนซ์ร่วมกับความกว้างของลายวงจร ดังนั้นจึงต้องเลือกโดยใช้ค่า Dk ของลามิเนตจริง ความสมมาตรมีความสำคัญต่อการควบคุมการบิดเบี้ยว โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแผงวงจรที่มีจำนวนชั้นสูง และในปี 2026 การวางแผนการเรียงชั้นวัสดุควรคำนึงถึงทั้งความพร้อมใช้งานและประสิทธิภาพ การจำกัดเกรดที่หายากที่สุดไว้เฉพาะชั้นที่จำเป็น และการรับรองเกรดที่เทียบเท่ากัน จะเป็นการสร้างโครงสร้างป้องกันการสูญเสียจากการจัดสรรวัสดุ

การจัดเรียงชั้นวัสดุแบบไฮบริด โดยใช้เกรดพรีเมียมในชั้นที่สำคัญ และใช้ FR-4 ที่มีค่า Tg สูงในส่วนที่เหลือ สามารถลดการใช้วัสดุพรีเมียมลงได้อย่างมาก ในขณะที่ยังคงบรรลุเป้าหมายด้านการสูญเสียและความต้านทาน และยังจำกัดวิกฤตการจัดสรรวัสดุให้อยู่เพียงไม่กี่ชั้น แทนที่จะเกิดขึ้นกับทั้งแผ่นวงจร กลไกต่างๆ อยู่ใน คู่มือ การจัดเรียงชั้น PCB ความเร็วสูงและคู่มือการจัดเรียงชั้น PCB ของเรา

ผู้ผลิตตรวจสอบก่อนการผลิต

การตรวจสอบโดยผู้ผลิตก่อนการผลิตจริงเป็นขั้นตอนที่เปลี่ยนการเลือกวัสดุให้เป็นการออกแบบที่ได้รับการยืนยัน สามารถผลิตได้ และจัดหาได้ สำหรับแผงวงจรความเร็วสูง การตรวจสอบจะยืนยันค่าอิมพีแดนซ์โดยใช้ค่า Dk ของลามิเนตจริง ตรวจสอบความต่อเนื่องของระนาบอ้างอิงภายใต้สัญญาณอัตราสูง ตรวจสอบว่าเกรดที่ระบุตรงกับงบประมาณการสูญเสียโดยไม่เกินความจำเป็น และที่สำคัญอย่างยิ่งในตลาดปัจจุบัน คือการตรวจสอบความพร้อมใช้งานของเกรดที่ระบุและระบุวัสดุเทียบเท่าที่มีคุณสมบัติเหมาะสม การตรวจพบปัญหาเกี่ยวกับวัสดุหรืออิมพีแดนซ์ในขั้นตอนนี้จะเสียค่าใช้จ่ายในการตรวจสอบรอบหนึ่ง การตรวจพบหลังจากผลิตแล้วจะทำให้ต้องแก้ไขใหม่และสูญเสียการจัดสรรวัสดุ

Highleap Electronics ให้บริการคำนวณโครงสร้างชั้นวัสดุที่ได้รับการยืนยันแล้ว โดยใช้ค่า Dk ของลามิเนตที่วัดได้ และการตรวจสอบก่อนการผลิต ซึ่งครอบคลุมถึงอิมพีแดนซ์ ความสมบูรณ์ของระนาบอ้างอิง และความพร้อมของวัสดุสำหรับการออกแบบความเร็วสูง

รับชมรีวิวการจัดเรียงชั้นของแผงวงจรพิมพ์ความเร็วสูง (High-Speed ​​PCB Stack-Up Review)

Highleap Electronics ผลิตแผงวงจรความเร็วสูงในระดับการสูญเสียปานกลางและการสูญเสียต่ำ ผ่านโปรแกรมการผลิต PCB ความเร็วสูงและPCB ความถี่สูง ของเรา

คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับวัสดุ PCB ความเร็วสูง

คุณสมบัติของวัสดุใดสำคัญที่สุดต่อความสมบูรณ์ของสัญญาณความเร็วสูง->

ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก (Dk) และค่าตัวประกอบการสูญเสีย (Df) มีความสำคัญ เนื่องจากเป็นตัวกำหนดค่าอิมพีแดนซ์และการสูญเสียไดอิเล็กทริก ค่า Tg มีความสำคัญต่อความทนทานต่อความร้อน และค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) มีความสำคัญต่อความน่าเชื่อถือในการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ความเสถียรของ Dk ในช่วงความถี่ต่างๆ และโครงสร้างใยแก้วยังส่งผลต่อความเบี่ยงเบนในคู่สายสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียลด้วย

FR-4 จะไม่เหมาะสมอีกต่อไปเมื่ออัตราการส่งข้อมูลอยู่ที่เท่าใด ->

ขึ้นอยู่กับความยาวของช่องสัญญาณ แต่ FR-4 จะเริ่มไม่เหมาะสมเมื่อช่องสัญญาณมีอัตราความเร็วระดับกิกะบิตสูงขึ้นและมีความยาวมากขึ้น และวัสดุที่มีการสูญเสียต่ำจะกลายเป็นสิ่งจำเป็นที่อัตราความเร็ว 112G/224G SerDes เนื่องจากค่าการสูญเสียการแทรกของ FR-4 จะทำให้ช่องสัญญาณปิดลง การพิจารณาควรคำนึงถึงแต่ละช่องสัญญาณและแต่ละชั้น

ระดับเกรดของ CCL คืออะไร และเหตุใดจึงมีความสำคัญต่อต้นทุน ->

แต่ละขั้นของเกรดที่สูงขึ้น (FR-4 ถึง M4, M6, M7, M8, M9) จะมีการเปลี่ยนแปลงชนิดของเรซิน ฟอยล์ และใยแก้วไปพร้อมกัน ทำให้ต้นทุนวัสดุเพิ่มขึ้นหลายเท่า ตัวคูณโดยประมาณเมื่อเทียบกับ FR-4: M6 ~3-5 เท่า, M7 ~6-9 เท่า, M8 ~10-15 เท่า, M9 ~15-20 เท่า การระบุเกรดที่สูงกว่าที่ต้องการจะทำให้ต้นทุนสูงขึ้น

ฉันควรใช้การจัดเรียงแบบไฮบริดหรือไม่->

โดยทั่วไปแล้วใช่ เมื่อมีเพียงบางชั้นเท่านั้นที่ส่งสัญญาณอัตราสูง การใช้วัสดุคุณภาพสูงเฉพาะในชั้นที่สำคัญ และใช้ FR-4 ในชั้นที่เหลือ จะช่วยลดการใช้วัสดุคุณภาพสูงและต้นทุนลง ในขณะที่ยังคงบรรลุเป้าหมายด้านการสูญเสียและความต้านทาน และยังจำกัดความเสี่ยงด้านการจัดหาให้อยู่เพียงไม่กี่ชั้น

เหตุใดจึงต้องคำนวณค่าอิมพีแดนซ์โดยใช้แผ่นลามิเนตจริง Dk->

เนื่องจากค่า Dk ที่ผิดพลาดจะส่งผลให้เกิดค่าอิมพีแดนซ์ผิดพลาดโดยตรง การใช้ค่า Dk ที่ระบุในเอกสารข้อมูลแทนที่จะใช้ค่า Dk ที่ได้จากกระบวนการผลิตจริง อาจทำให้อิมพีแดนซ์ของแผงวงจรอยู่นอกช่วงค่าที่ยอมรับได้ ซึ่งจะทำให้ความสมบูรณ์ของสัญญาณลดลง ส่งผลให้คุณภาพของสัญญาณลดลง ซึ่งเป็นสิ่งที่วัสดุความเร็วสูงถูกออกแบบมาเพื่อปกป้อง