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PCB 材料选择:电气和制造注意事项

  • 发表时间:2021-06-17 15:16:26
  • 来源:本站
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在选择 PCB 材料时,为您的设计做出正确的选择很重要,因为材料会影响整体性能。在进入制造阶段之前了解热和电气特性如何影响您的设计可以节省您的时间和金钱,同时实现最佳结果。 

PCB 材料选择:层叠注意事项

PCB 材料选择:电气和制造注意事项

PCB堆叠

PCB层叠结构是建造多层PCB以连续的顺序。叠层由磁芯、预浸料和铜箔组成。通常,堆叠是对称的。大多数产品的板厚低于 62 密耳。

电路板用什么材料?

PCB 材料选择:电气和制造注意事项

PCB材料:箔、芯和预浸料

使用以下 3 项制造印刷电路板:

  • 预浸料:B 阶段材料,具有粘性并允许粘合不同的层压板或箔

  • 铜箔:用作 PCB 中的导体。

  • 覆铜板(芯):由预浸料和铜箔层压并固化而成。


介电材料的基本特性

我们知道PCB层压板是由介电材料制成的。在选择层压板时,我们需要考虑所用介电材料的各种特性。他们是:

热性能电气特性
玻璃化转变温度 (Tg)介电常数 (Dk)
分解温度 (Td)损耗角正切或损耗因数(Tan δ 或 Df)
导热系数 (k)
热膨胀系数 (CTE)

热性能:

玻璃化转变温度 ( g):玻璃化转变温度或 T g是随着聚合物链变得更易移动,基材从玻璃态、刚性状态转变为软化、可变形状态的温度范围。当材料冷却下来时,其特性会恢复到原来的状态。g 以摄氏度 (°C) 为单位表示。

分解温度 (T d ):分解温度或 T d是 PCB 材料发生化学分解的温度(材料损失至少 5% 的质量)。与 T g一样,T d也以摄氏度 (°C) 为单位表示。

热导率 (K):热导率或 k,是材料传导热量的特性;低热导率意味着低热传递,而高导率意味着高热传递。热传递速率的度量单位为瓦特每米每摄氏度 (W/M °C)。

热膨胀系数 (CTE):热膨胀系数或 CTE 是 PCB 材料加热时的膨胀率。CTE 以每加热摄氏度时膨胀的百万分之几 (ppm) 表示。当材料的温度升高超过 T g 时,CTE 也会升高。基板的 CTE 通常远高于铜,这会在 PCB 加热时导致互连问题。

电气特性:

介电常数(E r或 D k):考虑材料的介电常数对于信号完整性阻抗的考虑很重要,这是高频电气性能的关键因素。大多数PCB 材料的 Er在 2.5 到 4.5 的范围内。

数据表中的值仅对材料中特定(通常为 50%)的树脂含量百分比有效。芯材或预浸料中的实际树脂百分比随成分而变化,因此k 会发生变化。铜百分比和压出半固化片的厚度将最终决定介质高度。介电常数通常随着频率的增加而降低。

损耗角正切 (tanδ) 或损耗因数 ( D ):损耗角正切或损耗因数是电介质中电阻电流和无功电流之间相角的正切。介电损耗随着 D f值的增加而增加f 的低值导致“快”底物,而大值导致“慢”底物。f随频率略有增加;对于 D f值非常低的高频材料,它随频率的变化非常小。值范围从 0.001 到 0.030。

PCB材料选择:基本类别

基本的PCB材料类别有:

  • 正常速度和损失

  • 中等速度和损失

  • 高速低损耗

  • 非常高的速度和非常低的损耗(射频/微波)

正常速度和损耗:正常速度材料是最常见的 PCB 材料 - FR-4 系列。它们的介电常数 (D k ) 与频率响应的关系不是很平坦,并且它们具有更高的介电损耗。因此,它们的适用性仅限于几个 GHz 数字/模拟应用。这种材料的一个例子是 Isola 370HR。

中速和损耗:中速材料具有更平坦的 D k与频率响应曲线,并且介电损耗约为正常速度材料的一半。这些适用于高达 ~10GHz。这种材料的一个例子是 Nelco N7000-2 HT。

高速和低损耗:这些材料还具有更平坦的 D k与频率响应曲线和低介电损耗。与其他材料相比,它们产生的有害电噪声也更少。这种材料的一个例子是 Isola I-Speed。

非常高的速度和非常低的损耗(射频/微波):用于射频/微波应用的材料具有最平坦的 D k与频率响应和最小的介电损耗。它们适用于高达 ~20GHz 的应用。这种材料的一个例子是 Isola I-Tera MT40 和 Tachyon 100G。

Sierra Circuits的首选材料

应用首选材料
标准 FR-4 无铅板Isola 370 HR
Ventec VT47
处理类似于标准 FR-4 的高速材料
Isola FR408HR
Isola I-Speed
Isola I-Tera
Isola Astra MT77
Isola Tachyon 100G
陶瓷增强板罗杰斯 RO4350 B
罗杰斯 TTM
罗杰斯 RO4003
罗杰斯 RO4230
标准聚酰亚胺板Isola P95
Nelco N7000-2HT
高级铁氟龙板Rogers RO3000 系列
Rogers RT/DUROID 系列
Rogers ULTRALAM 2000
标准软板杜邦 Pyralux AP
杜邦 Pyralux LF
杜邦 Pyralux FR
需要高导热性的板Thermagon 88
Laird IMPCB

信号损耗和工作频率

PCB 材料会影响高频电路的信号完整性。您可以通过选择正确的 PCB 基板和铜箔来最大限度地减少电路板上的衰减。当谈到 PCB 中的信号损耗时,这两种材料起着非常重要的作用。信号损耗包括介质损耗和铜损耗。 

介电损耗

介电材料由极化分子组成。这些分子在信号轨迹上随时间变化的信号产生的电场中振动。这会加热电介质并导致信号损耗的介电损耗部分。这种信号损失随着频率的增加而增加。使用耗散因数较低的材料可以最大限度地减少信号损失。频率越高,任何给定材料的损耗就越大。这是由于不断变化的电磁场导致介电材料中的分子振动。分子振动得越快,损失就越大。

铜损

铜损本质上与流过导体的电流有关。电子可能并不总是流过导体的中心。如果用镍完成铜迹线,则大部分电流可能会流过该镍层。随着频率的升高,趋肤效应损失会变得更大。这可以通过增加走线的宽度来补偿,这反过来又会产生更大的表面积。更宽的走线总是具有更低的趋肤效应损失。铜箔-电介质齿形界面轮廓增加了有效长度,从而增加了铜损。始终建议使用薄型或极薄型铜。

信号损耗与工作频率之间的相关性

PCB 材料选择:电气和制造注意事项

信号损耗与工作频率之间的相关性

从上图中可以看出,信号损失与频率之间存在直接相关性。同时,我们还可以看到某些材料的损耗比其他材料低。信号损失或衰减随频率增加。 该图显示了哪些材料在更高的速度下可能具有更好的电气性能。

为了更好地选择 PCB 材料,下表根据信号损耗特性将基本材料分为不同的类别。

PCB 材料选择:电气和制造注意事项

PCB材料类别对比 10 GHz 时的损耗角正切

在左边,我们有像 FR-4 这样的材料。这些是标准且易于加工的日常材料,可用于任何应用。但它们也是损耗最大的层压板。它还可能有大量其他电气和机械问题。Isola I-speed、Isola Astra 和 Tachyon 等材料在高频下表现出低损耗。 

铜箔选择

以下是我们在选择铜箔时需要考虑的几个特性:

  1. 铜厚度: 典型厚度从 0.25 盎司(0.3 密耳)到 5 盎司(7 密耳)不等。

  2. 铜纯度: 它是铜箔中铜的百分比。电子级铜箔纯度在99.7%左右。 

  3. 铜电介质接口轮廓: 薄型在高频下具有较低的信号铜损。

铜箔种类

电镀铜:这种铜具有垂直的晶粒结构和较粗糙的表面。电镀铜通常用于刚性 PCB。 

压延铜:一种铜,通过在重辊之间加工制成非常薄,广泛用于生产柔性 PCB。压延铜具有水平纹理结构和更光滑的表面,这使其成为刚柔结合和柔性 PCB 的理想选择

PCB材料选择最佳实践

  1. 热膨胀匹配系数 (CTE):CTE 是基板最关键的热特性。如果基板的组件具有不同的 CTE,它们可能会在制造过程中以不同的速率膨胀。

  2. 选择紧密的基材组织:紧密基材组织中的 D k分布将是均匀的。  

  3. 在高频应用中避免使用 FR(阻燃剂)4:这是由于其高介电损耗和更陡峭的 D k 与频率响应曲线。(对于低于 1 GHz 的频率)。 

  4. 使用吸湿性较低的材料:吸湿性是 PCB 材料(在这种情况下为铜)在浸入水中时抵抗吸水的能力。它是根据标准测试方法在受控条件下由于吸水而导致 PCB 材料重量增加的百分比。大多数材料的吸湿值在 0.01% 到 0.20% 的范围内。 

  5. 始终使用耐 CAF 材料:导电阳极灯丝 (CAF) 是一种金属灯丝,由电化学迁移过程形成,已知会导致 PCB 故障。使用抗 CAF 材料是防止 CAF 形成和失效的最有效方法之一。

PCB 叠层和示例叠层的意义

  • 准确堆叠的 PCB 将减少电磁辐射、串扰并提高信号完整性。

  • 它控制走线的阻抗。

  • 减小PCB的尺寸。

  • 降低布线密度。

  • 提供低噪声接地层和电源层。 

  • 降低接地层和电源层的电阻率。

示例堆叠

PCB 材料选择:电气和制造注意事项

10 层 PCB 堆叠

 

PCB 材料选择:电气和制造注意事项

12层PCB堆叠

典型的 12 层 PCB 堆叠

HDI 板和关键考虑因素

PCB 材料选择:电气和制造注意事项

8 层 HDI PCB

高密度互连 (HDI) PCB 是单位面积布线密度高于传统 PCB 的电路板。HDI 板的一些重要特性是:

  • 小于或等于 100 µm 的细线/间距

  • 小于或等于 150 µm 的微孔

  • 捕获焊盘小于400 μ

  • 捕获垫密度大于每平方厘米 20 个垫。

优质HDI板的PCB材料选择

尺寸稳定性:材料应尺寸稳定;这也适用于非 HDI PCB。所有材料在制造过程中都会在一定程度上收缩和拉伸,并且必须缩放图案以进行补偿,如果材料移动是可预测的,这不是问题。

可加工性:材料必须易于加工。对于 HDI,这意味着可以毫无问题地对其进行激光钻孔(汽化)。高度集中的能量被引导到特定区域的聚焦光束中,该光束被材料吸收直至蒸发。

环氧树脂是最常用的热固性树脂,是工业的支柱。由于其相对较低的成本、出色的附着力(对金属箔以及自身)以及良好的热、机械和电性能。 确保所选材料适用于连续层压。Sierra Circuits 推荐用于 HDI PCB 的 I-Speed 和 I-TeraMT40 材料。

PCB 制造商期望设计人员提供的文件/数据

以下是 PCB 制造商希望设计人员提供的一些生产文件。

Gerbers:Gerber 文件是一组包含 PCB 各层生产信息的文件。顶部和底部丝印,顶部和底部粘贴掩模,顶部和底部阻焊层。顶部和底部组装层应在晶圆厂详细信息中提及。 

ODB++:ODB++ 是一种智能格式。单个 ODB++ 文件或目录包含定义 PCB 层所需的所有信息。单个 ODB++ 文件或目录包含定义 PCB 层所需的所有信息。这种文件格式为所需数据提供了一个稳定的框架。ODB++ 文件并不能确保给定的数据足以制造设计,但它允许设计人员组合所有数据并执行所需的可制造性和可靠性检查。

IPC-2581:IPC-2581 是用于数据定义和转换方法的通用 PCB 组装和制造标准。IPC-2581 可以在单个 XML 文件中包含大量文件。

FAB 图纸轮廓钻孔图:Fab 图纸给出了 PCB 的制造细节,包括板尺寸、钻孔细节、制造等级(2 级、3 级)和堆叠细节。制造图纸以PDF格式发送给制造商,所有设计工具都支持导出PDF格式FAB图纸的功能。

NC 钻孔:NC 钻孔文件提供有关电路板上所需的所有孔的信息。它将作为钻孔机的输入,在板上钻出所需的孔。

拾取和放置文件:机器使用拾取和放置文件使用坐标来识别板上各种组件的位置。 

IPC-356 网表文件:IPC-356 网表文件包含有关各种组件之间连接的信息。创建网表后,请确保它与原理图网表相匹配。  

物料清单BOM或物料清单包含了所有的组件列表中,并且在需要的设计制造及其规范。设计人员可以从他们的设计软件中生成定制的 BOM,该软件在 Excel 电子表格中列出了组件的所有封装。这些 BOM 用作制造商的参考,以通过参考封装和代号以正确的顺序组装组件。 

正确选择 PCB 材料很重要,因为材料会影响信号走线的电气性能。遵循此 PCB 材料选择网络研讨会中提供的指南,您可以为您的设计选择最佳材料。