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PCB设计覆铜板选材介绍

2019-09-10 09:37
云创硬见
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一、PCB板材主要参数介绍

1.1.介电常数(Dk)Dieletric Constant

表征介质材料的介电性质或极化性质的物理参数,其值等于以欲测材料为介质与以真空为介质制成的同尺寸电容器电容量之比,该值也是材料贮电能力的表征。

介电常数大表示讯号线中的传输能量就会有不少被储存在板材中,将造成“讯号完整性”的品质不佳,与传播速率的减慢,故材质的介电常数越低其讯号传输的品质越好。

1.2. 散失因数(Df)Disspation Factor

即为讯号线中已漏失到绝缘板材中的能量与尚存在险种能量的比值,也称之为损失因数、介质损失或损失正切等

1.3. 玻璃态转化温度Tg(Glass Transition Temperature)

聚合物会随温度的升降而发生其物性变化,当在常温时通常会呈现一种非结晶无定形态的脆硬玻璃状固体,当在高温时却将转变成一种如同橡胶状的弹性固体,这种有常温“玻璃态”转变成“橡胶态”的过程中的温度过度区域,被称之为“玻璃态转化温度”。

在橡胶态时的热膨胀系数将会是玻璃态时的热膨胀系数的3到4倍。

1.4. 热膨胀系数CTE(Coefficent of thermal Expansion)

覆铜板中在X、Y方向上因受到玻璃布的牵制,其CTE值不大,一般在20ppm/℃以下;而在Z方向上没有牵制,其CTE将增大到55-60ppm/℃.

1.5. 热裂解温度Td

也称之为分解温度或层压分离温度,其定义为材料重量损失5%时的温度,以热重分析法将数值加热,一直到材料重量损失5%时的温度即为热裂解温度。

1.6. 耐热裂解时间(T260、T288、T300)

指以TMA法将材料分别加热到260℃、288℃、300 ℃固定温度时,观察在此热环境中,Z方向能抵抗热膨胀而不会裂开的时间。

1.7. 耐离子迁移CAF性能

PCB等电极间由于吸湿和结露等作用吸附水分后加入电场时,金属离子从一个金属电极向另一个电极移动、析出金属和化合物的现象称之为离子迁移。

出现离子迁移时将会导致导线间的短路,严重影响产品性能与可靠性。

1.8. 剥离强度

也叫抗撕强度,铜箔对基材板的附着力,常以每mm宽度铜箔垂直撕起时所需的力来表示。

1.9. 吸湿率(WaterAbsorption)

指材料之吸湿程度,愈大愈不好。吸水不但会降低板材的绝缘性﹐还将使得讯号传播的速度变慢。

二、不同使用温度对板材的要求

2.1. PCB材料常用树脂类型:

A. FR-4材料,环氧树脂类型:

B. PI材料:聚酰亚胺材料

C. PTFE材料:聚四氟乙烯材料

D. BT树脂材料:双马来酰亚胺三嗪树脂

树脂材料本身使用温度范围:

树脂类型

环氧树脂

PI树脂

PTFE树脂

BT树脂

工作温度

130度以下

260度以下

250度以下

230度以下

 FR-4材料:环氧树脂,属热固性聚合材料,最高使用温度为 204℃;数据引自《电气电子绝缘技术手册》P.451;实际使用温度由产品的耐热等级决定:如环氧层压玻璃布板(型号:9320、上3242等)耐热等级为 F (即155℃),覆铜环氧树脂玻璃布板(型号:CEPGC—31CEPGC—32F)耐热等级为 B (即130℃),数据引自《最新常用电气产品目录》下册,P.2312~2314 。

PI材料:聚酰亚胺,是一种新型耐高温热固性工程塑料,由于其在-270-400℃的大范围温度内能保持较高的物理机械性能,同时可在-240-260℃的空气中长期使用,并具有优异的电绝缘性、耐磨性、抗高温辐射性能和物理机械性能。

 PTFE材料:聚四氟乙烯,简写为teflon,使用温度 -190~250℃,允许骤冷骤热,或冷热交替操作。

BT材料:双马来酰亚胺三嗪树脂,固化成形后具有以下特性:

l  优异的耐热性tg:200~300℃,长期耐热温度:160~230℃。

l  低介电常数ε=2.18~3.15(1MHz)、低介电损耗tanδ=1.15×10-3~3.10×10-3(1MHz)。

l  高耐金属离子迁移性,吸湿后仍保持优良的绝缘性。

l  有优良的机械加工特性、耐药品性、耐放射性、耐磨性以及尺寸稳定性。

2.2.温度的变化会导致PCB性能失效,其主要体现在以下方面:

A. 温度高导致分层

B.温度高导致孔铜断裂而出现开路

高温是否容易导致板材分层主要看材料以下几个参数指标:

l  Td:Td越高越不容易在高温时出现分层,其耐热性能越好

l  T260/T288/T300:其时间越长表明其耐热性能越好,也就越不容易分层

高温是否容易导致孔铜断裂开路主要看材料以下几个参数指标:

l  Z-CTE:越小高温时越不容断裂

l  Tg值:其越高在高温时越不容易断裂

2.3. 热膨胀CTE

2.3.1.  а1-CTE:Tg前热膨胀系数

2.3.2.  а2-CTE:Tg后热膨胀系数

2.3.3. (50-260 ℃)-CTE:50到260度之间的平均热涨系数

PCB在X.Y.方向受到有玻纤布的钳制,以致CTE不大,约在12-15ppm/℃左右。但板厚Z方向在无拘束下(Tg前)将扩大为55-60ppm/℃(TG后,约为TG前的5-6倍),而PCB通孔及焊垫中铜的CTE约为16-18ppm/℃.

2.4. 设计材料选择条件

材料本身树脂的使用温度需高于PCB板使用温度

由材料的CTE特性看,材料的Tg值必须大于PCB使用温度,保证Z-CTE的热膨胀在Tg前,且需选择Z-CTE足够小的材料

由材料本身看,选择Td足够大,越大耐高温性能越好

由材料本身看,选择T260/T288/T300足够大的材料,越大耐高温性能越好

2.5.不同材料特性一览表(一)

三、不同使用频率下对PCB材料的要求

3.1.高频信号传输对介质材料的要求

信号传播损失小(具有低介电常数、低介质损耗因子)、信号传输速度高、在介电特性方面受到频率、温度、湿度变化下而表现出的高稳定性等内容。

须要考虑到它在高频电路PCB上的信号传播损失的特性。1GHZ以上领域内还会存在着由于“肌肤效应”问题,造成的导体损失。

在基板材料上、在PCB制造上、在组装上由于存在着微小偏差(特别是在层间厚度、介电常数、导体厚度、导体宽度四个方面的偏差),就会造成基板材料的特性阻抗的不整合,出现反射、衰减量的增大

3.2.信号工作频率不同对板材要求不同

工作在1GHz以下的PCB可以选用FR4,成本低、多层压制板工艺成熟。如信号入出阻抗较低(50欧姆),在布线时需要严格考虑传输线特性阻抗和线间耦合,缺点是不同厂家以及不同批生产的FR4板材掺杂不同,介电常数不同(4.2-5.4)且不稳定。

1G以上3GHz以下的小信号微波收发信机,可以选用改性环氧树脂材料,由于其介电常数在10GHz时比较稳定、成本较低、多层压制板工艺与FR4相同。

3GHz以上的大信号微波电路如功率放大器和低噪声放大器建议选用类似RO4350的双面板材,RO4350介电常数相当稳定、损耗因子较低、耐热特性好、加工工艺与FR4相当。其板材成本高于FR4。

10GHz以上的微波电路如功率放大器、低噪声放大器、上下变频器等对板材要求更高,建议采用PTFE。

3.3.常用高频材料特性一览表(一)

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