选择合适的PCB材料：综合指南

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• 热学性能
• 电学性能
• 功率与热对PCB材料选择的影响
• 柔性与刚柔结合板
• 从Millennium Circuits Limited购买PCB

所有PCB材料类型的目的都是导电并提供铜导电层间的绝缘。FR-4是此类别中最广泛使用的材料。然而，您的板需求将不可避免地依赖各种PCB材料属性。阅读以下PCB材料选择指南，了解在不同PCB材料类型的热学、电学、化学和机械性能方面应寻找什么。

PCB材料选项、分类与基材属性考虑

热学性能

• 玻璃化转变温度 (Tg)： PCB基材暴露于高于特定阈值的温度时软化。一旦离开热源，基材硬化回自然状态。可将此转变应用于基材的温度范围称为玻璃化转变温度 (Tg) —— 以摄氏度为单位。
• 分解温度 (Td)： 暴露于超过特定阈值的温度时，PCB基材将分解。在此过程中，PCB损失总质量的5%或更多。发生此过程的温度范围称为分解温度 (Td)，以摄氏度为单位。虽然Tg转变效应在材料离开玻璃化转变温度后自我逆转，但分解温度对基材的影响是永久的。因此，最好使用能承受您工作环境温度范围的PCB材料。焊接PCB基材所需温度通常在200°C至250°C之间。理想情况下，Tg应低于该范围而Td应高于该范围。
• 热膨胀系数 (CTE)： PCB膨胀率称为其CTE。当基材暴露于超过其Tg的温度时，材料也将经历CTE上升，以百万分率 (ppm) 测量。基材通常比铜层有更高CTE。这种差异有时是施加热量时互连问题的来源。由于PCB材料周围编织玻璃的限制，CTE通常在X和Y轴上为10至20 ppm。即使温度超过Tg阈值，CTE保持不变。CTE应在Z轴保持最低，因为这是材料膨胀方向。为保险起见，建议CTE为70 ppm或以下。

• 热导率 (k)： PCB导热性能称为热导率 (k)。材料热导率直接关联PCB传热能力。如果k值低，热传递水平也低，反之亦然。热导率以瓦特每米 (W/M) 为单位，在开尔文 (K) 下测量。许多介电材料的热导率范围在0.3至6 W/m·K之间。相比之下，铜的k值为386 W/M·°C。因此，PCB中铜层比介电层传热更快。

电学性能

• 介电常数或相对介电常数 (Er或Dk)： 决定介电常数电气性能的两个最重要因素是阻抗和信号完整性。PCB材料的介电常数 (Er) 或相对介电常数 (Dk) 通常在3.5至5.5之间。材料Er水平取决于频率，通常随频率上升而下降。某些PCB材料的Dk水平变化比其他材料小。为使材料适合涉及高频的应用，它必须在宽频率范围内保持稳定介电常数。

• 介质损耗角正切或耗散因子 (Tan δ或Df)： 如果材料损耗角正切低，其损耗功率少。印刷电路板用材料的介质损耗角正切 (Tan δ) 通常在0.02至0.001范围内。前者适用于更广泛使用的材料。然而，后者通常适用于高端材料。Tan δ也随频率增加。对于数字电路，损耗角正切通常是次要因素。例外包括频率超过1GHz的任何应用。损耗角正切对模拟信号更重要。
• 体积电阻率 (ρ)： 介电材料对绝缘或电的电阻称为其体积电阻 (ρ)。高电阻率PCB材料不太可能促进电荷。欧姆·米 (Ω·m) 以及欧姆·厘米 (Ω·cm) 用于测量给定介电材料的电阻率。像所有介电绝缘体一样，印刷电路板上的材料必须具有高电阻率，最好在10³至10¹⁰兆欧姆·厘米范围内。热、冷和湿气等外部因素可影响材料电阻率。
• 表面电阻率 (ρS)： 介电材料表面对绝缘和电的电阻称为表面电阻率 (ρS)。与材料ρ水平一样，ρS必须高，最好在10³至10⁹兆欧姆/平方范围内。与ρ一样，材料ρS水平可受温度极端和湿气影响。
• 电气强度： 在印刷电路板Z方向上，介电材料抵抗电气击穿的能力称为电气强度，以伏特/密耳为单位测量。大多数PCB材料电气强度在800 V/mil至1500 V/mil之间。

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功率与热对PCB材料选择的影响

化学性能

• 阻燃规格 (UL94)： 塑料阻燃性能——也称塑料可燃性——在设备和器具零件塑料材料可燃性安全标准 (UL94) 中按最高到最低排序。PCB材料UL94要求规定：试样燃烧带火燃烧不得超过10秒。对于一组五个试样，总燃烧带火燃烧不得超过50秒。
• 吸湿性： 浸入液体时，介电材料承受此类暴露的能力称为吸湿性。大多数PCB材料吸湿值在0.01%至0.20%之间。介电材料的电学和热学性能均受材料吸湿性影响。
• 二氯甲烷耐受性： PCB材料化学耐受性称为二氯甲烷耐受性 (MCR)，最直接测量介电材料对二氯甲烷吸收的耐受性。介电材料MCR通常在0.01%至0.20%之间。

柔性与刚柔结合板

机械性能

• 剥离强度： 印刷电路板中介电层与铜层间结合能力称为剥离强度。PCB制造阶段，在以下三种条件下测试1盎司厚铜迹线的剥离强度：热应力后、高温下、化学暴露后。
• 弯曲强度： 介电材料承受物理应力不破裂的能力称为弯曲强度，以千克/平方米或磅/平方英寸为单位测量。测试印刷电路板弯曲强度时，仅支撑两端施加中心力。介电强度也由拉伸模量测量，确定PCB材料应力/应变比及其在各方向保持能力。拉伸模量常称为杨氏模量，一些制造商用其代替弯曲强度作为PCB承受应力能力的度量。
• 密度： 介电材料密度以克/立方厘米 (g/cc) 测量。替代地，PCB密度也可用磅/立方英寸 (lb/in³) 测量。
• 分层时间： 介电材料抵抗分层效应持续时间称为“分层时间”，确定当暴露于超过特定阈值温度时，PCB层相互分离需要多长时间。PCB材料——无论是层压板还是玻璃纤维——也可能因热冲击或湿气而分层。

阅读更多关于柔性和刚柔结合板

HDI考虑材料

低质量铜箔和介电材料等因素可影响PCB机制。通过适当选择介电材料，您可以防止电路板发出错误信号。

介电材料的分子性质可使您的系统易受损耗。每次产生信号，分子内磁场振动。此效应由信号频率高度决定。振动发生时，能量变热并随之在系统中损失。

铜导体也可导致系统损耗。当电子偏离导体中心时，频率上升。例如，镍面铜导体将看到显著电流流过镍而非铜而产生显著损耗。全铜导体若存在微脊，也会见损耗，因这些可使电流上下移动产生电阻。

阅读更多关于HDI板

您可以选择什么特性？

为防止系统损耗，检查以下两个类别中的选项，确保选择最适合高频的材料：

• 基材： 印刷电路板基材内含各种材料，如环氧树脂和玻璃纤维。基材必须具有低介电常数以产生高频电路。
• 箔： 有几种不同类型的箔可应用于铜。选择能最可靠最小化电阻的铜。

低质量和不匹配的基材和箔可导致昂贵损耗，但正确选择可帮助您获得持久PCB性能。

最佳实践与进一步考虑

为选择最适合高频应用的基材和箔，您需要牢记某些做法：

• 匹配介电常数： 印刷电路板上不同介电常数的Dk需相互匹配。如果Dk矛盾，问题可能发生。Dk不匹配示例是树脂与编织层搭配。
• 匹配热膨胀系数 (CTE)： 在涉及温度的基材性质中，CTE最重要。与Dk一样，两个基材间CTE必须匹配。否则，两个基材可能以不同速度和一致性膨胀。制造过程中，不同CTE可导致缺陷。PCB使用时，冲突CTE可能影响Dk。
• 紧密基材编织： 基材必须紧密编织，材料和网目才能正确相互作用。否则，Dk将受负面影响。
• 勿用FR-4： 因低成本，FR-4是常见选择。然而，对于产生高频的电路，FR-4是不合适材料。
• 仅用平滑箔： 为减轻最高频率损耗，使用平滑铜箔。
• 用导电箔： 差导体可对电路有阻尼效应。为确保不发生此情况，仅用正确导电箔。

谈到PCB，性能全靠质量，只有高质量、良好匹配的零件才能确保。当您浏览目录考虑哪个PCB最适合您需求时，也请牢记以下考虑：

• 成本： 优质基材可能是大笔投资。事实是，印刷电路板一分钱一分货。如果您不愿妥善投资，日后零件失效您将损失更多。

• 制造缺陷： 对任何设计用于高频运行的材料，始终明智地复查可能缺陷，这在PTFE和某些其他材料中常见。

当您选择适当材料、投入适当资金并检查制造缺陷时，您更可能从印刷电路板获得多年无损耗性能。

从Millennium Circuits Limited购买PCB

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