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電路板設計如何選擇PCB材料?

2020-12-31 345次瀏覽 分類:常見問題

    每個PCB的熱,機械和電氣行為都取決於PCB基板,導體和組件材料的材料特性。在這些不同的材料中,設計人員可以通過選擇正確的PCB基板材料來最大程度地控製板的行為。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機械,熱和電刺激的反應方式。


電路板設計如何選擇PCB材料?

    當您需要選擇PCB基板材料時,哪種PCB材料特性對您的電路板最重要?答案取決於電路板的應用和將要部署PCB的環境。

    在為下一塊PCB選擇預浸料和層壓材料時,應考慮以下一些重要的材料特性,以供您的應用參考。

    ●重要的PCB材料特性

    您對基板的選擇不再僅限於FR4,但您不應輕易選擇PCB層壓板。您首先應該了解不同的材料特性如何影響您的PCB,然後選擇能夠滿足您的操作要求的層壓板。不要隻聽層壓板製造商的營銷演講;花時間了解每種基材的材料特性以及它們如何影響您的PCB。

    可以在網上找到一些有關PCB材料性能的數據,但最好向製造商谘詢,特別是對於專門的層壓材料,因為沒有兩個層壓板完全相同,也沒有兩個完全相同。陶瓷和金屬芯PCB等更多奇特的材料具有一係列獨特的材料特性。

    所有設計人員都應了解的重要PCB材料性能分為四個方麵:電氣,結構,機械和熱性能。

    電學性質

    當今PCB基板材料中需要考慮的所有重要電特性都體現在介電常數中。

    介電常數

    這是設計用於高速/高頻PCB的疊層時要考慮的主要電氣特性。介電常數是一個複雜的量,它是頻率的函數,在PCB基板中引起以下形式的分散:

    速度色散:因為介電常數是頻率的函數,所以不同的頻率將經曆不同的損耗水平並以不同的速度傳播。

    損耗色散:信號經曆的衰減也是頻率的函數。色散的簡單模型表示損耗隨頻率的增加而增加,但這並不是嚴格正確的,某些層壓板的損耗與頻譜之間可能存在複雜的關係。

    這兩個效應有助於信號在傳播過程中經曆的失真程度。對於在非常窄的帶寬或單個頻率上工作的模擬信號,色散無關緊要。但是,它在數字信號中極為重要,並且是高速數字信號建模和互連設計中的主要挑戰之一。

    結構性質

    PCB及其基板的結構也將影響板上的機械,熱和電性能。這些特性主要通過兩種方式體現:玻璃編織方式和銅導體的粗糙度。

    玻璃編織風格

    玻璃編織樣式會在PCB基板上留下間隙,這與板上的樹脂含量有關。玻璃和浸漬樹脂的體積比例結合起來,可以確定基材的體積平均介電常數。此外,玻璃編織樣式中的間隙會產生所謂的纖維編織效應,其中沿著互連線變化的基板介電常數會產生偏斜,共振和損耗。這些影響在?50GHz或更高的頻率下變得非常突出,這會影響雷達信號,數千兆位以太網和典型的LVDSSerDes通道信號。

    ●PCB基板材料中常見的玻璃編織樣式

    銅粗糙度

    盡管這實際上是印刷銅導體的結構特性,但它有助於互連的電阻抗。導體的表麵粗糙度在高頻下有效地增加了其趨膚效應電阻,導致信號傳播期間感應渦流產生的感應損耗。銅蝕刻,銅沉積方法以及預浸料的表麵都會在一定程度上影響表麵粗糙度。

    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。

    導熱係數和比熱

    將板的溫度提高一度所需的熱量以基板的比熱來量化,而每單位時間通過基板傳輸的熱量以熱導率來量化。這些PCB材料的性能共同決定了電路板在運行過程中與環境達到熱平衡時的最終溫度。如果將您的電路板部署在需要快速將熱量散發到大型散熱器或機箱中的環境中,則應使用導熱率更高的基板。

    ●玻璃化溫度和熱膨脹係數(CTE)

    這兩個PCB材料特性也相關。所有材料都具有一定的熱膨脹係數(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變溫度(Tg),CTE值就會突然增加。理想情況下,CTE值應在所需溫度範圍內盡可能低,而Tg值應盡可能高。最便宜的FR4基板的Tg?130°C,但是大多數製造商都提供Tg?170°C的纖芯和層壓板選擇。

    上麵列出的熱性能還與PCB基板上導體的機械穩定性有關。特別地,CTE失配在高縱橫比的通孔和盲孔/埋孔中產生了已知的可靠性問題,其中,由於體積膨脹引起的機械應力,通孔易於斷裂。因此,已經開發出了高Tg材料和其他專門的層壓板,從事HDI設計的設計師可能會考慮使用這些替代材料。

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