電路板設(shè)計中要考慮的PCB材料特性

每個 PCB 的熱、機械和電氣行為取決于 PCB 基板、導(dǎo)體和組件材料的材料特性。 在這些不同的材料中，設(shè)計人員可以通過選擇正確的 PCB 基板材料來最大程度地控制電路板的行為。 PCB 材料的性能，尤其是樹脂和層壓板的性能，將決定您的電路板對機械、熱和電刺激的反應(yīng)。

當您需要選擇 PCB 基板材料時，哪些 PCB 材料特性對您的 PCB 最重要？ 答案取決于 PCB 的應(yīng)用和將部署 PCB 的環(huán)境。 在為下一個 PCB 選擇預(yù)浸料和層壓板材料時，您應(yīng)該考慮以下重要的材料特性，以供您的應(yīng)用參考。

重要的 PCB 材料特性

您對基板的選擇不再局限于FR4，但您不應(yīng)輕易選擇PCB層壓板。 您應(yīng)該首先了解不同的材料特性如何影響您的 PCB，然后選擇滿足您的操作要求的層壓板。 不要只聽層壓板制造商的營銷演講； 花時間了解每種基板的材料特性以及它們?nèi)绾斡绊懩?PCB。

網(wǎng)上可以找到一些關(guān)于PCB材料性能的數(shù)據(jù)，但是最好咨詢一下廠家，特別是特殊層壓材料，因為沒有兩塊層壓板是完全一樣的，也沒有兩塊層壓板是完全一樣的。 陶瓷和金屬芯 PCB 等更奇特的材料具有一系列獨特的材料特性。

所有設(shè)計人員都應(yīng)該了解的重要 PCB 材料特性分為四個方面：電氣、結(jié)構(gòu)、機械和熱特性。

電氣性能

在當今的 PCB 基板材料中需要考慮的所有重要電氣特性都反映在介電常數(shù)中。

介電常數(shù)

這是設(shè)計用于高速/高頻 PCB 的堆棧時要考慮的主要電氣特性。 介電常數(shù)是一個復(fù)數(shù)，它是頻率的函數(shù)，在 PCB 基板中以下列形式引起色散：

速度色散：由于介電常數(shù)是頻率的函數(shù)，不同的頻率會經(jīng)歷不同的損耗水平并以不同的速度傳播。

損耗色散：信號經(jīng)歷的衰減也是頻率的函數(shù)。 簡單的色散模型表明損耗隨著頻率的增加而增加，但這并不嚴格正確。 某些層壓板的損耗與光譜之間可能存在復(fù)雜的關(guān)系。

這兩種效應(yīng)會影響信號在傳播過程中所經(jīng)歷的失真程度。 對于在非常窄的帶寬或單一頻率上運行的模擬信號，色散無關(guān)緊要。 然而，它在數(shù)字信號中極為重要，是高速數(shù)字信號建模和互連設(shè)計中的主要挑戰(zhàn)之一。

結(jié)構(gòu)特性

PCB及其基板的結(jié)構(gòu)也會影響電路板的機械、熱學(xué)和電氣性能。 這些特性主要體現(xiàn)在兩個方面：玻璃編織和銅導(dǎo)體粗糙度。

玻璃編織風(fēng)格

玻璃編織圖案會在PCB基板上留下縫隙，這與板上的樹脂含量有關(guān)。 基板的平均介電常數(shù)可以通過結(jié)合玻璃和浸漬樹脂的體積比來確定。 此外，玻璃編織圖案中的間隙會產(chǎn)生所謂的纖維編織效應(yīng)，其中基板介電常數(shù)沿互連線變化會產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)、共振和損耗。 這些影響在~50 GHz 或更高頻率時變得非常突出，這將影響雷達信號、千兆位以太網(wǎng)和典型的 LVDS SerDes 通道信號。

銅質(zhì)粗糙度

雖然這實際上是印刷銅導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特征，但它有助于互連的電阻抗。 導(dǎo)體的表面粗糙度有效地增加了其在高頻下的集膚效應(yīng)電阻，導(dǎo)致信號傳播過程中感應(yīng)渦流引起的感應(yīng)損耗。 銅蝕刻、銅沉積方法和半固化片表面都會在一定程度上影響表面粗糙度。

熱性能

選擇基板材料時，需要將PCB層壓板和基板的熱性能分為兩組。

熱導(dǎo)率和比熱

將板的溫度升高1度所需的熱量用基板的比熱來量化，單位時間內(nèi)通過基板傳遞的熱量用熱導(dǎo)率來量化。 這些PCB材料的性能共同決定了PCB在運行過程中與環(huán)境達到熱平衡時的最終溫度。 如果您將電路板部署在需要快速將熱量散發(fā)到大型散熱器或機箱的環(huán)境中，則應(yīng)使用導(dǎo)熱系數(shù)更高的基板。

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熱膨脹系數(shù) (CTE)

這兩種 PCB 材料特性也相關(guān)。 所有材料都有一定的熱膨脹系數(shù)（CTE），這恰恰是PCB基板中各向異性的大小（即不同方向的膨脹率不同）。 一旦電路板的溫度超過玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg），CTE值就會突然升高。 理想情況下，CTE值應(yīng)在要求的溫度范圍內(nèi)盡可能低，而Tg值應(yīng)盡可能高。 Tg~130°C的最便宜的FR4基板，但大多數(shù)制造商提供Tg~170°C纖芯和層壓板的選擇。

上面列出的熱性能還與 PCB 基板上導(dǎo)體的機械穩(wěn)定性有關(guān)。 特別是，CTE 不匹配會在高縱橫比通孔和盲/埋通孔中產(chǎn)生已知的可靠性問題，其中通孔容易因體積膨脹引起的機械應(yīng)力而破裂。 因此，開發(fā)了高Tg材料和其他特殊層壓板，從事HDI設(shè)計的設(shè)計師可以考慮使用這些替代材料。