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技術(shù)專題
電路板設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的PCB材料屬性
每個(gè)PCB的熱，機(jī)械和電氣行為都取決于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(jì)人員可以通過選擇正確的PCB基板材料來最大程度地控制板的行為。PCB材料的性能，尤其是樹脂和層壓材料的性能，將決定您的電路板對(duì)機(jī)械，熱和電刺激的反應(yīng)方式。
當(dāng)您需要選擇PCB基板材料時(shí)，哪種PCB材料特性對(duì)您的電路板最重要？答案取決于電路板的應(yīng)用和將要部署PCB的環(huán)境。在為下一塊PCB選擇預(yù)浸料和層壓材料時(shí)，應(yīng)考慮以下一些重要的材料特性，以供您的應(yīng)用參考。
重要的PCB材料特性
您對(duì)基板的選擇不再僅限于FR4，但您不應(yīng)輕易選擇PCB層壓板。您首先應(yīng)該了解不同的材料特性如何影響您的PCB，然后選擇能夠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(shí)間了解每種基材的材料特性以及它們?nèi)绾斡绊懩?span>PCB。
可以在網(wǎng)上找到一些有關(guān)PCB材料性能的數(shù)據(jù)，但最好向制造商咨詢，特別是對(duì)于專門的層壓材料，因?yàn)闆]有兩個(gè)層壓板完全相同，也沒有兩個(gè)完全相同。陶瓷和金屬芯PCB等更多奇特的材料具有一系列獨(dú)特的材料特性。
所有設(shè)計(jì)人員都應(yīng)了解的重要PCB材料性能分為四個(gè)方面：電氣，結(jié)構(gòu)，機(jī)械和熱性能。
電學(xué)性質(zhì)
當(dāng)今PCB基板材料中需要考慮的所有重要電特性都體現(xiàn)在介電常數(shù)中。
介電常數(shù)
這是設(shè)計(jì)用于高速/高頻PCB的疊層時(shí)要考慮的主要電氣特性。介電常數(shù)是一個(gè)復(fù)雜的量，它是頻率的函數(shù)，在PCB基板中引起以下形式的分散：
速度色散：因?yàn)榻殡姵?shù)是頻率的函數(shù)，所以不同的頻率將經(jīng)歷不同的損耗水平并以不同的速度傳播。
損耗色散：信號(hào)經(jīng)歷的衰減也是頻率的函數(shù)。色散的簡(jiǎn)單模型表示損耗隨頻率的增加而增加，但這并不是嚴(yán)格正確的，某些層壓板的損耗與頻譜之間可能存在復(fù)雜的關(guān)系。
這兩個(gè)效應(yīng)有助于信號(hào)在傳播過程中經(jīng)歷的失真程度。對(duì)于在非常窄的帶寬或單個(gè)頻率上工作的模擬信號(hào)，色散無關(guān)緊要。但是，它在數(shù)字信號(hào)中極為重要，并且是高速數(shù)字信號(hào)建模和互連設(shè)計(jì)中的主要挑戰(zhàn)之一。
結(jié)構(gòu)性質(zhì)
PCB及其基板的結(jié)構(gòu)也將影響板上的機(jī)械，熱和電性能。這些特性主要通過兩種方式體現(xiàn)：玻璃編織方式和銅導(dǎo)體的粗糙度。
玻璃編織風(fēng)格
玻璃編織樣式會(huì)在PCB基板上留下間隙，這與板上的樹脂含量有關(guān)。玻璃和浸漬樹脂的體積比例結(jié)合起來，可以確定基材的體積平均介電常數(shù)。此外，玻璃編織樣式中的間隙會(huì)產(chǎn)生所謂的纖維編織效應(yīng)，其中沿著互連線變化的基板介電常數(shù)會(huì)產(chǎn)生偏斜，共振和損耗。這些影響在?50 GHz或更高的頻率下變得非常突出，這會(huì)影響雷達(dá)信號(hào)，數(shù)千兆位以太網(wǎng)和典型的LVDS SerDes通道信號(hào)。
PCB基板材料中常見的玻璃編織樣式
銅粗糙度
盡管這實(shí)際上是印刷銅導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特性，但它有助于互連的電阻抗。導(dǎo)體的表面粗糙度在高頻下有效地增加了其趨膚效應(yīng)電阻，導(dǎo)致信號(hào)傳播期間感應(yīng)渦流產(chǎn)生的感應(yīng)損耗。銅蝕刻，銅沉積方法以及預(yù)浸料的表面都會(huì)在一定程度上影響表面粗糙度。
熱性能
選擇基板材料時(shí)，需要將PCB層壓板和基板的熱性能分為兩組。
導(dǎo)熱系數(shù)和比熱
將板的溫度提高一度所需的熱量以基板的比熱來量化，而每單位時(shí)間通過基板傳輸?shù)臒崃恳詿釋?dǎo)率來量化。這些PCB材料的性能共同決定了電路板在運(yùn)行過程中與環(huán)境達(dá)到熱平衡時(shí)的最終溫度。如果將您的電路板部署在需要快速將熱量散發(fā)到大型散熱器或機(jī)箱中的環(huán)境中，則應(yīng)使用導(dǎo)熱率更高的基板。
玻璃化溫度和熱膨脹系數(shù)（CTE）
這兩個(gè)PCB材料特性也相關(guān)。所有材料都具有一定的熱膨脹系數(shù)（CTE），恰好是PCB基板中的各向異性量（即，膨脹率沿不同方向是不同的）。一旦電路板的溫度超過玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg），CTE值就會(huì)突然增加。理想情況下，CTE值應(yīng)在所需溫度范圍內(nèi)盡可能低，而Tg值應(yīng)盡可能高。最便宜的FR4基板的Tg?130°C，但是大多數(shù)制造商都提供Tg?170°C的纖芯和層壓板選擇。
上面列出的熱性能還與PCB基板上導(dǎo)體的機(jī)械穩(wěn)定性有關(guān)。特別地，CTE失配在高縱橫比的通孔和盲孔/埋孔中產(chǎn)生了已知的可靠性問題，其中，由于體積膨脹引起的機(jī)械應(yīng)力，通孔易于斷裂。因此，已經(jīng)開發(fā)出了高Tg材料和其他專門的層壓板，從事HDI設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)師可能會(huì)考慮使用這些替代材料。