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如何选择用于制造的 PCB 材料和层压板

  • 发表时间:2021-06-16 15:20:14
  • 来源:本站
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如何选择用于制造的 PCB 材料和层压板

PCB 材料选择是PCB 设计过程的第一步。为您的设计选择合适的材料非常重要,因为它会影响电路板的整体性能。

在选择开始之前,有许多因素需要考虑。确保材料特性符合您的特定电路板要求和最终应用。

我们在制造 PCB 时面临的主要问题之一是设计人员经常过度依赖材料数据表。数据表为设计人员提供了材料电气特性的全面描述。然而,当考虑到各种现实世界的制造问题时,数据表不足,而现实世界的制造问题很重要,因为它们会影响产量和成本。

在这篇博文中,我们将重点关注以下几点:

印刷电路板材料:

如何选择用于制造的 PCB 材料和层压板

PCB材料:覆铜板

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:PCB 上的导电迹线。

覆铜板(芯):由预浸料和铜箔层压并固化而成。

如何选择用于制造的 PCB 材料和层压板

PCB 材料:箔、芯和预浸料

如何选择PCB层压板?

PCB层压板由介电材料制成。在选择 PCB 层压板时,我们需要考虑所用介电材料的一些关键特性。这些属性包括:

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)

玻璃化转变温度 (Tg):随着聚合物链变得更易移动,PCB 基板从玻璃态、刚性状态转变为软化、可变形状态的温度。Tg 以摄氏度 (ºC) 为单位表示。


玻璃化转变温度 (Tg)
370 人力资源
180°C
罗杰斯 4350B280°C

分解温度 (Td):材料发生化学分解的温度。SI 单位:摄氏度。


分解温度 (Td)
370 人力资源
340°C
罗杰斯 4350B390°C

热导率 (k):材料导热的特性;低热导率意味着低热传递,而高导率意味着高热传递。SI 单位:瓦特/米开尔文。


导热系数 (k)

370 人力资源
0.4 瓦/米

罗杰斯 4350B0.69 瓦/米

热膨胀系数 (CTE):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。SI 单位:PPM/°C。

当材料的温度上升到超过 Tg 时,CTE 也会上升。

基板的 CTE 通常远高于铜,这会在 PCB 加热时导致互连问题。

X 轴和 Y 轴的 CTE 通常较低——每摄氏度约 10 至 20 ppm。这通常要归功于在 X 和 Y 方向上约束材料的编织玻璃,即使材料的温度升高到 Tg 以上,CTE 也不会发生太大变化。所以材料必须在 Z 方向膨胀。

沿 Z 轴的 CTE 应尽可能低;目标是每摄氏度低于 70 ppm,随着材料超过 Tg,这将增加。

如何选择用于制造的 PCB 材料和层压板

材料的膨胀是通过热膨胀系数 (CTE) 来衡量的。此图显示 Z 方向的 CTE。要了解有关 PCB 材料热考虑的更多信息,请阅读我们的文章什么是 PCB 装配中的热分析


热膨胀系数 (CTE)


370 人力资源
X 13 ppm/°C
Y 14 ppm/°C
Z 45 ppm/°C
罗杰斯 4350BX 10 ppm/°C
Y 12 ppm/°C
Z 32 ppm/°C

介电常数 (Dk) 或相对磁导率 (Er):材料的介电常数与自由空间(即真空)的介电常数之比。它也称为相对渗透率。

数据表适用于材料中特定(通常为 50%)的树脂含量百分比。芯材或预浸料中的实际树脂百分比因成分而异,因此 Dk 会发生变化。铜的百分比和压出的预浸料厚度将最终决定介质高度。

大多数使用的 PCB 材料的 Er 在 2.5 和 4.5 之间的范围内。在特定的微波应用中,也使用具有较高 Er 值的材料。它通常随着频率的增加而减少。


介电常数 (Dk) 或相对磁导率 (Er)



370 人力资源
3.92 @50% 树脂含量

罗杰斯 4350B3.48

损耗角正切 (tanδ) 或损耗因数 (Df):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 Df 值的增加而增加。Df 值低导致“快”底物,而大值导致“慢”底物。Df 随频率略有增加;对于 Df 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。


10 GHz 时的损耗角正切
370 人力资源
0.0250


罗杰斯 4350B0.0037

信号损耗和工作频率

信号损耗包括介质损耗和铜损耗。 

介电损耗作为总信号损耗的一部分: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。这会加热介电材料并导致介电损耗作为信号损耗的一部分。信号损失随频率增加。通过使用具有较低耗散因数的材料,可以将这种损失降至最低。要了解 PCB 走线上的信号性能,请阅读有关 PCB 中信号的传播延迟

铜损作为总信号损失的一部分:由于信号走线和适用的返回路径的交流电阻而产生铜损。由于趋肤效应,它随着频率的增加而增加。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。可以通过在非常高的频率下使用低剖面和非常低剖面的箔来减少铜损。

信号损耗与工作频率之间的相关性。

如何选择用于制造的 PCB 材料和层压板

信号损耗与工作频率之间的相关性

正如您在上图中所看到的,信号损失或衰减随着频率的增加而增加。同时,我们还可以看到某些材料的损耗比其他材料低。该图显示了哪种材料在更高的速度下可能具有更好的电气性能。

PCB材料类别

正常速度和正常损耗:这些是最常见的 PCB 材料——FR-4 系列。它们的介电常数 (Dk) 与频率响应的关系不是很平坦,并且具有更高的介电损耗。它们适用于高达2GHz 的应用。这种材料的一个例子是 Isola 370HR。

中速和中损耗:中速材料具有更平坦的 Dk 与频率响应曲线,介电损耗约为正常速度材料的一半。这些适用于高达2GHz 的应用。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 Dk 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。这些适用于高达20GHz 的应用。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 Dk 与频率响应和最小的介电损耗。它们适用于高达60GHz 的应用。这种材料的一个例子是 Isola Tachyon 100G。

如何选择用于制造的 PCB 材料和层压板

PCB材料类别对比 10GHz 时的损耗角正切

铜箔选择

铜箔的选择取决于以下几点:

  • 铜材特性

  • 铜箔种类

铜材料特性:

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。

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。

铜电介质界面轮廓:低轮廓在高频下具有较低的信号铜损。

低剖面铜箔:这种类型的铜箔用于低损耗高频应用。

铜箔种类:

电镀铜:一种用于生产刚性 PCB 的铜。

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 和刚柔结合 PCB。

要了解有关刚柔结合 PCB 的更多信息,请阅读我们的文章刚柔结合可降低电子产品组装成本。

低剖面铜箔:这种类型的铜箔用于低损耗高频应用。

PCB材料选择最佳实践

具有相似 Dk 的材料:确保基板由具有相似介电常数 (Dk) 的材料制成。

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。 

为极高频/高速应用选择更平坦和更紧密的基材编织:Dk 分布将是均匀的。

避免在高频应用中使用 FR4:这是由于其高介电损耗和更陡峭的 Dk 与频率响应曲线。

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)浸入水中时抵抗吸水的能力。它是由 PCB 材料因吸水而增加的重量引起的。百分比范围从 0.01% 到 0.20%。阅读有关我们如何制造受控阻抗 PCB的帖子

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

高速网络推动材料选择

思科系统公司和其他高速网络设备制造商已经开发了极其严格的内部程序和标准化的测试工具,以确保材料能够承受比制造过程中遇到的更严酷的条件。这些都是很高的障碍。如果价格合适,通过的材料也将成为其他各种高速数字应用的主要候选材料。

Isola 代表指出了两种层压板,其中第二种层压板是在 2014 年 6 月下旬刚刚推出的,分别是 Tachyon 和 Tachyon-100G,他们推荐用于构建路由器背板、线卡和其他超高速数字应用的 PCB。两种层压板具有相同的电气特性,包括 0.002 的 Df 和 3.02 的 Dk,在 40 GHz 内保持不变。

Tachyon-100G 被引入以针对超高速线卡(100-Gb/s 以太网),因为它具有热稳定性,特别是在 Z 轴上具有非常低的膨胀系数,非常适合它,尤其是对于此类高层-计数结构。这两种材料都使用扩散玻璃和非常薄的铜箔(2 μm Rz 表面粗糙度),以帮助最大限度地减少编织引起的差分偏斜,缩短信号上升时间并减少抖动和符号间干扰。这些材料具有多种预浸料和芯厚度,并以与典型 FR-4 层压板相同的方式进行加工。它们可以用作混合 FR-4 构建中的核心或预浸料。

任何具有上述介电和热性能的材料都是 PCB 制造商的层压板目录中受欢迎的补充,特别是因为它们不涉及加工基于 PTFE 的材料所固有的复杂性。我将在不久的将来提供与其他层压板的比较。

关键制造考虑因素

因此,接下来,让我们讨论处理混合 PCB 堆叠时的关键制造考虑因素。首先,确保您的混合叠层中的所有材料都与您的层压周期兼容。有些材料在层压过程中需要比其他材料更高的温度和压力。在提交设计之前,请检查您的材料数据表以确认正在使用兼容的材料。

混合叠层的第二个考虑因素是正确钻孔的钻孔参数。钻头的进给和速度因堆叠中的材料而异。如果您有一个纯结构的堆叠,这意味着它们都是相同的材料,而不是混合结构,则必须调整进给和速度。例如,某些设置会产生大量热量,如果材料无法承受热量,则可能会发生一些变形。您还应该考虑到不同材料的钻孔方式不同。例如,Rogers 会更快地磨损钻头,从而影响成本。

钻孔和CUPOSIT之前,有孔壁的准备。不同的材料需要不同的等离子体。制造商之间的一个肮脏的小秘密是,并非所有人都根据材料改进我们的流程。每个一般类别可以有工艺指南,但为了绝对的可靠性和准时交货,制造商应该改进每种材料的工艺。

在您返回设计之前,请参加我们的PCB 材料测验

材料选择对于所有 PCB 设计都很重要。在选择HDI PCB 材料时,这一点尤其重要, 因为还有其他制造限制在起作用。目标始终是为可制造性选择合适的材料,同时满足您的温度和电气要求。为了帮助您确定哪种材料最适合您的设计需求,Sierra Circuits 的材料选择器提供了具有最重要特性的材料列表。

要了解有关 PCB 材料选择的更多信息,请观看我们的网络研讨会PCB 材料选择:电气和制造注意事项。