PCB資訊 - 電路板製造中的PCB材料選擇

在選擇PCB材料時，為您的設計做出正確的選擇很重要，因為PCB材料會影響整體效能。 在進入製造階段之前了解熱和電力特性如何影響您的設計可以節省您的時間和金錢，同時實現最佳結果。

PCB層疊結構是建造多層PCB以連續的順序。 疊層由磁芯、預浸料和銅箔組成。 通常，堆疊是對稱的。 大多數產品的板厚低於62mil密耳。

電路板製造用什麼材料？ 使用以下3項製造印刷電路板：

預浸料：B階段材料，具有粘性並允許粘合不同的層壓板或箔

銅箔：用作PCB中的導體。

覆銅板（芯）：由預浸料和銅箔層壓並固化而成。

電路板材料的基本特性

我們知道PCB層壓板是由介電材料製成的。 在選擇層壓板時，我們需要考慮所用介電材料的各種特性。 他們是：

電路板的熱效能

玻璃化轉變溫度（Tg）

分解溫度（Td）

導熱係數（k）

熱膨脹係數（CTE）

玻璃化轉變溫度（Tg）：玻璃化轉變溫度或Tg是隨著聚合物鏈變得更易移動，基材從玻璃態、剛性狀態轉變為軟化、可變形狀態的溫度範圍。 當材料冷卻下來時，其特性會恢復到原來的狀態。 Tg以攝氏度（°C）為組織表示。

分解溫度（Td）：分解溫度或Td是PCB材料發生化學分解的溫度（材料損失至少5%的質量）。 與Tg一樣，Td也以攝氏度（°C）為組織表示。

熱導率（K）：熱導率或k，是材料傳導熱量的特性； 低熱導率意味著低熱傳遞，而高導率意味著高熱傳遞。 熱傳遞速率的度量組織為瓦特每米每攝氏度（W/M°C）。

熱膨脹係數（CTE）：熱膨脹係數或CTE是PCB材料加熱時的膨脹率。 CTE以每加熱攝氏度時膨脹的百萬分之幾（ppm）表示。 當材料的溫度升高超過Tg時，CTE也會升高。 基板的CTE通常遠高於銅，這會在PCB加熱時導致互連問題。

電路板的電力特性

介電常數（Dk）

損耗角正切或損耗因數（Tan δ 或Df）

介電常數（Er或Dk）：考慮材料的介電常數對於信號完整性和阻抗的考慮很重要，這是高頻電力效能的關鍵因素。 大多數PCB材料的Er在2.5到4.5的範圍內。

材料表中的值僅對材料中特定（通常為50%）的樹脂含量百分比有效。 芯材或預浸料中的實際樹脂百分比隨成分而變化，囙此Dk會發生變化。 銅百分比和壓出半固化片的厚度將最終決定介質高度。 介電常數通常隨著頻率的新增而降低。

損耗角正切（tan δ) 或損耗因數（Df）：損耗角正切或損耗因數是電介質中電阻電流和無功電流之間相角的正切。 介電損耗隨著Df值的新增而新增。 Df的低值導致“快”底物，而大值導致“慢”底物。 Df隨頻率略有新增； 對於Df值非常低的高頻材料，它隨頻率的變化非常小。 值範圍從0.001到0.030。

PCB材料選擇：基本類別

基本的PCB材料類別有：

正常速度和損失

中等速度和損失

高速低損耗

非常高的速度和非常低的損耗（射頻/微波）

正常速度和損耗：正常速度材料是最常見的PCB材料-FR-4系列。 它們的介電常數（Dk）與頻率回應的關係不是很平坦，並且它們具有更高的介電損耗。 囙此，它們的適用性僅限於幾個GHz數位/類比應用。 這種材料的一個例子是Isola370HR。

中速和損耗：中速材料具有更平坦的Dk與頻率回應曲線，並且介電損耗約為正常速度材料的一半。 這些適用於高達~10GHz。 這種材料的一個例子是NelcoN7000-2HT。

高速和低損耗：這些材料還具有更平坦的Dk與頻率回應曲線和低介電損耗。 與其他材料相比，它們產生的有害電雜訊也更少。 這種材料的一個例子是IsolaI-Speed。

非常高的速度和非常低的損耗（射頻/微波）：用於射頻/微波應用的材料具有最平坦的Dk與頻率回應和最小的介電損耗。 它們適用於高達~20GHz的應用。 這種材料的一個例子是IsolaI-TeraMT40和Tachyon100G。

愛彼電路的首選材料

標準FR-4無鉛板

Isola370HR

VentecVT47

處理類似於標準FR-4的高速材料

IsolaFR408HR

IsolaI-Speed

IsolaI-Tera

IsolaAstraMT77

IsolaTachyon100G

陶瓷增强板

羅傑斯RO4350B

羅傑斯TTM

羅傑斯RO4003

羅傑斯RO4230

標準聚醯亞胺板

IsolaP95

NelcoN7000-2HT

高級鐵氟龍板

RogersRO3000系列

RogersRT/DUROID系列

RogersULTRALAM2000

標準軟板

杜邦PyraluxAP

杜邦PyraluxLF

杜邦PyraluxFR

需要高導熱性的板

Thermagon88

LairdIMPCB

電路訊號損耗和工作頻率

PCB材料會影響高頻電路的信號完整性。 您可以通過選擇正確的PCB基板和銅箔來最大限度地减少電路板上的衰减。 當談到PCB中的訊號損耗時，這兩種材料起著非常重要的作用。 訊號損耗包括介質損耗和銅損耗。

介電損耗

介電材料由極化分子組成。 這些分子在訊號軌跡上隨時間變化的訊號產生的電場中振動。 這會加熱電介質並導致訊號損耗的介電損耗部分。 這種訊號損失隨著頻率的新增而新增。 使用耗散因數較低的材料可以最大限度地减少訊號損失。 頻率越高，任何給定材料的損耗就越大。 這是由於不斷變化的電磁場導致介電材料中的分子振動。 分子振動得越快，損失就越大。

銅損

銅損本質上與流過導體的電流有關。 電子可能並不總是流過導體的中心。 如果用鎳完成銅跡線，則大部分電流可能會流過該鎳層。 隨著頻率的升高，趨膚效應損失會變得更大。 這可以通過新增走線的寬度來補償，這反過來又會產生更大的表面積。 更寬的走線總是具有更低的趨膚效應損失。 銅箔-電介質齒形介面輪廓新增了有效長度，從而新增了銅損。 始終建議使用薄型或極薄型銅。

訊號損失與頻率之間存在直接相關性。 同時，我們還可以看到某些材料的損耗比其他材料低。 訊號損失或衰减隨頻率新增。 該圖顯示了哪些材料在更高的速度下可能具有更好的電力效能。

電路板銅箔選擇

以下是我們在選擇銅箔時需要考慮的幾個特性：

銅厚度：典型厚度從0.25盎司（0.3密耳）到5盎司（7密耳）不等。

銅純度：它是銅箔中銅的百分比。 電子級銅箔純度在99.7%左右。

銅電介質介面輪廓：薄型在高頻下具有較低的訊號銅損。

電路板銅箔種類

電鍍銅：這種銅具有垂直的晶粒結構和較粗糙的表面。 電鍍銅通常用於剛性PCB。

壓延銅：一種銅，通過在重輥之間加工製成非常薄，廣泛用於生產柔性PCB。 壓延銅具有水准紋理結構和更光滑的表面，這使其成為剛柔結合和柔性PCB的理想選擇。

PCB材料選擇最佳實踐

熱膨脹匹配係數（CTE）:CTE是基板最關鍵的熱特性。 如果基板的組件具有不同的CTE，它們可能會在製造過程中以不同的速率膨脹。

選擇緊密的基材組織：緊密基材組織中的Dk分佈將是均勻的。

在高頻應用中避免使用FR（阻燃劑）4：這是由於其高介電損耗和更陡峭的Dk與頻率回應曲線。 （對於低於1GHz的頻率）。

使用吸濕性較低的材料：吸濕性是PCB材料（在這種情況下為銅）在浸入水中時抵抗吸水的能力。 它是根據標準測試方法在受控條件下由於吸水而導致PCB材料重量新增的百分比。 大多數材料的吸濕值在0.01%到0.20%的範圍內。

始終使用耐CAF材料：導電陽極燈絲（CAF）是一種金屬燈絲，由電化學遷移過程形成，已知會導致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疊層和示例疊層的意義

準確堆疊的PCB將减少電磁輻射、串擾並提高信號完整性。

它控制走線的阻抗。

减小PCB的尺寸。

降低佈線密度。

提供低雜訊接地層和電源層。

降低接地層和電源層的電阻率。

HDI板和關鍵考慮因素

高密度互連（HDI）PCB是組織面積佈線密度高於傳統PCB電路板。 HDI板的一些重要特性是：

小於或等於100µm的細線/間距。

小於或等於150µm的微孔。

捕獲焊盤小於400 μ 米

捕獲墊密度大於每平方釐米20個墊。

優質HDI板的PCB材料選擇

尺寸穩定性：材料應尺寸穩定； 這也適用於非HDIPCB。 所有材料在製造過程中都會在一定程度上收縮和拉伸，並且必須縮放圖案以進行補償，如果材料移動是可預測的，這不是問題。

可加工性：材料必須易於加工。 對於HDI，這意味著可以毫無問題地對其進行雷射鑽孔（汽化）。 高度集中的能量被引導到特定區域的聚焦光束中，該光束被材料吸收直至蒸發。

環氧樹脂是最常用的熱固性樹脂，是工業的支柱。 由於其相對較低的成本、出色的附著力（對金屬箔以及自身）以及良好的熱、機械和電效能。 確保所選材料適用於連續層壓。 愛彼電路推薦用於HDIPCB的I-Speed和I-TeraMT40材料。

愛彼電路對設計人員提供的檔案/數據

以下是PCB製造商希望設計人員提供的一些生產檔案。

Gerbers:Gerber檔案是一組包含PCB各層生產資訊的檔案。 頂部和底部絲印，頂部和底部粘貼掩模，頂部和底部阻焊層。 頂部和底部組裝層應在晶圓廠詳細資訊中提及。

ODB++:ODB++是一種智慧格式。 單個ODB++檔案或目錄包含定義PCB層所需的所有資訊。. 單個ODB++檔案或目錄包含定義PCB層所需的所有資訊。 這種檔案格式為所需數據提供了一個穩定的框架。 ODB++檔案並不能確保給定的數據足以製造設計，但它允許設計人員組合所有數據並執行所需的可製造性和可靠性檢查。

IPC-2581:IPC-2581是用於數據定義和轉換方法的通用PCB組裝和製造標準。 IPC-2581可以在單個XML檔案中包含大量檔案。

FAB圖紙輪廓鑽孔圖：Fab圖紙給出了PCB的製造細節，包括板尺寸、鑽孔細節、製造等級（2級、3級）和堆疊細節。 製造圖紙以PDF格式發送給製造商，所有設計工具都支持匯出PDF格式FAB圖紙的功能。

NC鑽孔：NC鑽孔檔案提供有關電路板上所需的所有孔的資訊。 它將作為鑽孔機的輸入，在板上鑽出所需的孔。

拾取和放置檔案：機器使用拾取和放置檔案使用座標來識別板上各種組件的位置。

IPC-356網表檔案：IPC-356網表檔案包含有關各種組件之間連接的資訊。 創建網表後，請確保它與原理圖網表相匹配。

物料清單：BOM或物料清單包含了所有的組件清單中，並且在需要的設計製造及其規範。 設計人員可以從他們的設計軟體中生成定制的BOM，該軟件在Excel試算表中列出了組件的所有封裝。 這些BOM用作製造商的參攷，以通過參攷封裝和代號以正確的順序組裝組件。

正確選擇PCB材料很重要，因為材料會影響訊號走線的電力效能。 遵循此PCB材料選擇網絡研討會中提供的指南，您可以為您的PCB設計選擇最佳材料。