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电路板设计时应考虑的PCB材料特性

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作者Cadence 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衬底材料的材料。

  • 今天的设计师有一系列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，设计师应该选择对其设计很重要的特定材料性能。

空白PCB材料特性

PCB材料的性能将决定该电路板的电气、机械和热性能。

每个PCB板的热、机械和电学行为受PCB基板、导体和组件材料的材料特性的控制。在这些不同的材料中，设计人员可以通过选择正确的PCB基板材料来最大限度地控制电路板的性能。PCB材料的性质，特别是树脂和层压材料，将决定你的板如何反应机械，热，和电刺激。

当您需要选择PCB基板材料时，哪些PCB材料特性对您的电路板最重要?答案取决于电路板的应用和部署PCB的环境。当你为你的下一个PCB选择预浸料和层压材料时，这里有一些重要的材料属性，你应该考虑你的应用。

PCB材料的重要特性

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。您应该首先了解不同的材料特性如何影响PCB，并选择相应满足您的操作要求的层压板。不要只听层压板制造商的营销演讲;花时间了解每一种基板材料的特性以及它们是如何影响PCB的。

一些PCB材料属性的数据可以在网上找到，但最好咨询制造商，特别是对于专业层压材料，因为没有两个层压板是完全相同的，也没有两个批次是完全相同的。更奇特的材料，如陶瓷和金属芯pcb提供了一系列独特的材料性能。

所有设计人员都应该了解的重要PCB材料性能分为四个方面:电气、结构、机械和热性能。

电气性能

当今PCB基板材料中需要考虑的所有重要电学性能都体现在介电常数．

介电常数

这是在为高速/高频PCB设计堆叠时要考虑的主要电学特性。介电常数是一个复杂的量，它是频率的函数，在PCB基片中产生以下形式的色散:

  • 速度色散:由于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:信号的衰减也是频率的函数。色散状态的简单模型，损耗随着频率的增加而增加，但这不是严格正确的，一些层压板可能具有复杂的损耗与频谱的关系。

这两种效应导致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一频率上工作的模拟信号，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电路板的机械、热和电学性能。这些性能主要体现在两个方面:铜导体的玻璃编织风格和粗糙度。

玻璃编织款式

玻璃编织方式在PCB基板上留下间隙，它与板中树脂含量有关。玻璃和浸渍树脂的体积比例共同决定了基片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，其中沿互连变化的衬底介电常数会产生倾斜、谐振和损耗。这些影响在~50 GHz及更高频率时变得相当突出，会影响雷达信号、千兆以太网和典型的LVDS SerDes信道信号．

PCB材料特性和玻璃编织风格

PCB基板材料中常见的玻璃编织样式

铜粗糙度

虽然这实际上是印刷铜导体的结构特性，但它有助于互连的电阻抗。导体表面的粗糙度有效地增加了其高频集肤电阻，导致信号传播过程中感应涡流的感应损耗。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。

热导率和比热

将电路板温度提高一度所需的热量用基片比热来量化，而单位时间内通过基片传输的热量则用热导率来量化。总之，这些PCB材料特性将决定电路板在运行过程中与环境达到热平衡时的最终温度。如果您的电路板将被部署在需要将热量迅速消散到大型散热器或外壳的环境中，则应使用导热性较高的基板。

玻璃化转变温度与热膨胀系数(CTE)

这两种PCB材料的性能也是相关的。所有材料都有热膨胀系数，恰好在PCB基板中是一个各向异性的量(即沿不同方向的膨胀速率不同)。一旦板的温度超过玻璃化转变温度(Tg)， CTE值就会突然升高。在理想的温度范围内，CTE值应尽可能低，Tg值应尽可能高。最便宜的FR4衬底将Tg ~ 130°C，但大多数制造商提供Tg ~ 170°C的芯层选择。

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失配在高纵横比过孔和盲/埋过孔中产生了已知的可靠性问题，在这些过孔中，过孔容易由于体积膨胀产生的机械应力而断裂。由于这个原因，高tg材料和其他专门的层压板已经开发出来，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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