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PCB材料的特性，你应该考虑在板设计

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作者节奏PCB解决方案

关键的外卖

  • PCB对电、热和机械刺激的响应主要取决于基板材料。

  • 今天的设计人员有一系列PCB基板材料的选择，从典型的FR4基板到专业的低损耗层压板。

  • 不同的材料性能在不同的应用中更可取，设计者应该选择对他们的设计很重要的特定材料性能。

空白PCB材料性能

你的PCB材料的性质将决定这个板的电，机械和热行为。

每一个PCB的热、机械和电行为是由PCB基板、导体和组件材料的材料特性所控制的。在这些不同的材料中，设计师通过选择正确的PCB基板材料，对电路板的行为有最大的控制。PCB材料的性能，特别是树脂和层压板材料，将决定你的板如何反应机械，热，和电刺激。

当你需要选择PCB基板材料时，哪种PCB材料特性对你的板最重要?答案取决于电路板的应用程序和将部署PCB的环境。当你为你的下一个PCB选择预浸料和层压板材料时，这里有一些重要的材料属性，你应该为你的应用考虑。

重要的PCB材料性能

你的基板选择不再局限于FR4，但你不应该轻易做出PCB层压板选择的决定。你应该首先了解不同的材料属性如何影响你的PCB，并相应地选择一种满足你的操作要求的层压板。不要只听层压板制造商的营销宣传;花时间了解每一种基板材料的特性以及它们如何影响你的PCB。

一些PCB材料性能的数据可以在网上找到，但最好咨询制造商，特别是专业的层压板材料，因为没有两个层压板是完全相同的，也没有两个批次完全相同。更奇特的材料，如陶瓷和金属芯多氯联苯，提供了一系列独特的材料性能。

所有设计人员都应该了解PCB材料的重要性能，主要有四个方面:电气性能、结构性能、机械性能和热性能。

电气性能

所有重要的电学性能，需要考虑在今天的PCB基板材料体现在介电常数．

介电常数

这是设计高速/高频PCB堆叠时要考虑的主要电学特性。介电常数是一个复量，是频率的函数，这导致了PCB基板中以下形式的色散:

  • 速度色散因为介电常数是频率的函数，不同的频率会经历不同程度的损耗，并以不同的速度传播。

  • 损失分散信号所经历的衰减也是频率的函数。简单的色散模型表明损耗会随着频率的增加而增加，但这并不是严格正确的，一些层压板的损耗与频谱的关系可能很复杂。

这两种效应决定了信号在传播过程中所经历的失真程度。对于在非常窄的带宽或单频上工作的模拟信号，色散无关紧要。然而，它在数字信号中非常重要，是高速数字信号建模和互连设计的主要挑战之一。

结构特性

PCB及其基板的结构也会影响板的机械、热和电性能。这些性能主要体现在两个方面:玻璃编织风格和铜导体的粗糙度。

玻璃编织风格

玻璃编织风格在PCB基板上留下缝隙，它与板上的树脂含量有关。玻璃和浸渍树脂的体积比例共同决定了衬底的体积平均介电常数。此外，玻璃编织风格的缝隙创造了所谓的纤维编织效果，其中沿互连线变化的衬底介电常数会产生倾斜、共振和损耗。这些影响在~50 GHz及以上时变得相当突出，这影响到雷达信号、千兆以太网和典型的LVDS SerDes通道信号．

PCB材料性能和玻璃编织风格

PCB基板材料中常见的玻璃编织样式

铜粗糙度

虽然这确实是印刷铜导体的结构特性，但它有助于互连的电阻抗。导体的表面粗糙度有效地增加了其高频蒙皮效应电阻，导致信号传播过程中感应涡流的感应损失。铜蚀刻、铜沉积方法和预浸料的表面都在一定程度上影响表面粗糙度。

热性能

PCB层压板和基板有两组热性能，在选择基板材料时需要一起考虑。

导热系数和比热

将板的温度提高一度所需的热量量化在基板的比热中，而单位时间内通过基板传输的热量量化在热导率中。总之，这些PCB材料的性能将决定你的板最终的温度，当它进入热平衡与环境在运行中。如果您的电路板将部署在一个环境中，热量需要迅速散去到一个大的散热器或外壳，应使用热导率较高的基板。

玻璃化转变温度和热膨胀系数

这两种PCB材料的性能也是相关的。所有的材料都有一些热膨胀系数(CTE)，恰好是PCB基板中的一个各向异性量(即沿不同方向的膨胀率是不同的)。一旦板的温度超过玻璃化转变温度(Tg)， CTE值会突然升高。在理想的温度范围内，CTE值应该尽可能低，而Tg值应该尽可能高。最便宜的FR4基板有Tg ~ 130°C，但大多数制造商提供的核心和层压选择的Tg ~ 170°C。

上面列出的热性能也与PCB基板上导体的机械稳定性有关。特别是，CTE失配在高纵横比通孔和盲/埋通孔中产生了已知的可靠性问题，在这些通孔中，通孔容易因体积膨胀产生的机械应力而破裂。高tg材料和其他专门的层压板已经被开发出来，从事HDI设计的设计师可能会考虑使用这些替代材料。

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