PCB基板材料的重要熱性能

2021-06-30

PCB基板材料的重要熱性能

許多設計人員在選擇 PCB 基板材料時(shí)傾向于關(guān)注潛在的信號完整性問(wèn)題。這絕對可以理解；高速/高頻器件需要相關(guān)帶寬內的低損耗和平坦色散以防止信號失真，這通常是選擇 PCB 基板材料的起點(diǎn)。然而，介電特性并不是層壓材料的全部?jì)热荨?span>

您的 PCB 基板材料還具有一些重要的熱特性，應在設計過(guò)程中加以考慮。并非所有電路板都將部署在惡劣環(huán)境中，但那些需要在整個(gè)生命周期內保持可靠性的電路板。高溫、反復熱循環(huán)、吸濕和低玻璃化轉變溫度會(huì )在制造和操作過(guò)程中產(chǎn)生問(wèn)題。如果您注意基板材料的正確熱特性，則可以確保信號完整性和可靠性。

關(guān)注PCB基板材料特性

信號完整性取決于 PCB 基板材料的介電常數。從數據表中讀取這些值的主要問(wèn)題是引用的值取決于用于測量的方法。這對熱性能來(lái)說(shuō)不是什么問(wèn)題。在選擇 PCB 基板材料時(shí)，需要考慮幾個(gè)重要的熱特性。

熱導率與熱阻

在 PCB 基板材料的所有可能特性中，熱導率可能最受關(guān)注（當然在損耗角正切之后）。這有時(shí)與熱阻互換使用。兩者雖然有聯(lián)系，但并不相同。

熱導率是電導率的熱力學(xué)模擬。它定義了熱量沿著(zhù)每單位面積的溫度梯度傳輸的速率。您的 PCB 基板的熱阻取決于一個(gè)相關(guān)量，即有效熱導率。有效熱導率與板上每種材料（銅、芯/預浸料、樹(shù)脂等）的單獨熱導率值成正比。數據表引用了裸層壓材料的熱導率值。

如果您需要從組件快速散熱，那么您需要更大的導熱系數。FR4 的一些替代品可以提供更高的導熱性。陶瓷是一個(gè)值得注意的例子，因為與玻璃編織層壓板相比，它們具有非常高的熱導率值。金屬芯基板也是一個(gè)很好的選擇；這些材料通常用于高功率 LED 板。

金屬絕緣體基板上的熱元件周?chē)臏囟确植寂c FR4。

熱膨脹系數 (CTE)

每種材料都會(huì )隨著(zhù)溫度的變化而膨脹或收縮。CTE 值定義了材料在溫度升高時(shí)體積增加的程度。除非您使用低于 4 °C 的水，否則 CTE 值始終為正值。對于銅，熱膨脹系數約為 17 ppm/°C，而該值因不同的基板材料而異，FR4 的典型值沿板表面為 11，垂直于板表面為 15。其他材料，例如陶瓷，可以具有廣泛的 CTE 值。例如，氮化鋁因其高導熱性而非常有用，但 CTE 值非常低（從 4.3 到 5.8 ppm/°C）。

CTE 在高溫和電路板溫度在高低值之間反復循環(huán)時(shí)都很重要。在循環(huán)過(guò)程中，電路板會(huì )膨脹和收縮，從而對銅元件施加壓力，并且當基板和銅 CTE 值之間的失配較大時(shí)，該應力會(huì )更大。您的導體和基板材料的 CTE 值應盡可能匹配。

對于低縱橫比的通孔和合理粗的走線(xiàn)，CTE 不匹配不是一個(gè)問(wèn)題。然而，高縱橫比的通孔會(huì )在筒體中間和頸部經(jīng)歷應力集中，需要更厚的電鍍或填充以確保通孔破裂時(shí)的導電路徑。在 HDI 板中，眾所周知，由于循環(huán)導致的重復應力積累會(huì )導致通孔頸部開(kāi)裂。

過(guò)孔頂部的銅分離。

玻璃化轉變溫度 (Tg)

該數量與 CTE 相關(guān)。任何材料的 CTE 值通常隨溫度升高。玻璃化轉變往往發(fā)生在無(wú)定形材料中；一旦材料的溫度超過(guò)其玻璃化轉變溫度，材料的 CTE 與溫度曲線(xiàn)的斜率就會(huì )急劇增加。這意味著(zhù)當溫度超過(guò) Tg 時(shí)，材料會(huì )隨著(zhù)溫度變化而發(fā)生更大的膨脹。

在玻璃編織基板材料中，增加可用溫度值范圍和避免玻璃化轉變的一種方法是使用具有高 Tg 樹(shù)脂的基板。標準 FR4 的 Tg 值約為 130 °C，但具有高 Tg 樹(shù)脂的基材可使 Tg 值高達約 170 °C。如果您的基板和導體 CTE 值在低溫下緊密匹配，并且您的電路板將在高溫下運行，那么您應該選擇具有更高 Tg 值的基板。

大多數電路板可能不會(huì )超過(guò)標準的 ~130 °C Tg 值。更重要的是 CTE 作為溫度函數的穩定性，因為在高溫下過(guò)高的 CTE 值會(huì )在細導體上產(chǎn)生更大的應力。如果您的電路板經(jīng)常循環(huán)到高溫，我會(huì )選擇更穩定的 CTE 值，該值接近導體 CTE 值。

你的設計是一種平衡行為

正如我們所希望的那樣，沒(méi)有任何設計能夠滿(mǎn)足所有信號完整性和熱管理要求，因此需要做出妥協(xié)。在熱性能方面，在某些板上，重復循環(huán)到高溫可能需要優(yōu)先于損耗角正切和介電常數。如果您不是在高速、高頻或高電壓下工作，您可能希望少關(guān)注介電特性，而更多關(guān)注熱特性以確?？煽啃?。