PCB材料選擇

2020-04-05

有時(shí)，我會(huì )遇到一些設計師的問(wèn)題，他們想進(jìn)一步了解PCB材料的選擇和制造工藝。我得到的一個(gè)問(wèn)題是PCB芯與預浸料之間的確切區別。這些術(shù)語(yǔ)有時(shí)可以互換使用，包括由新手設計師使用。

明確了芯材和預浸料之間的區別之后，應使用哪種材料？重要的參數在電鍍，蝕刻和固化期間如何變化？隨著(zhù)越來(lái)越多的設計人員必須非常熟悉GHz頻率的工作，這些要點(diǎn)對于正確確定這些材料上的走線(xiàn)大小并避免復雜的信號完整性問(wèn)題變得非常重要。

PCB核心與預浸料之間的區別

PCB芯和層壓板是相似的，并且在某些方面有很大的不同。您的核心實(shí)際上是一個(gè)或多個(gè)預浸料層壓板，這些層壓板可以通過(guò)加熱進(jìn)行壓制，硬化和固化，并且該核心的每一側均鍍有銅箔。預浸材料用樹(shù)脂浸漬，其中樹(shù)脂硬化但未固化。大多數制造商將預浸料坯描述為將核心材料粘合在一起的膠水。當將兩個(gè)芯堆疊在預浸料層壓板的每一側時(shí)，將堆疊暴露在熱下會(huì )導致樹(shù)脂開(kāi)始粘合到相鄰層。硬化后的樹(shù)脂通過(guò)交聯(lián)緩慢固化，其最終的材料性能開(kāi)始接近芯層的性能。

樹(shù)脂材料包裹了玻璃編織物，該玻璃編織物的制造過(guò)程與制造紗線(xiàn)的過(guò)程非常相似。玻璃組織可以很緊（例如7628預浸料）或很松（例如1080預浸料），在制造過(guò)程中可以用織機控制。紗線(xiàn)的任何間隙和整體均勻性將決定電磁性能，電磁性能隨后會(huì )導致色散，損耗以及板上信號所見(jiàn)的任何纖維編織效應。
FR4 PCB芯/預浸料編織及其重要的材料性能

根據樹(shù)脂含量，樹(shù)脂類(lèi)型和玻璃編織，PCB芯和預浸料的介電常數可能略有不同。當設計要求非常精確的阻抗匹配的電路板時(shí)，這可能是個(gè)問(wèn)題，因為軌道上的信號所看到的有效介電常數取決于周?chē)牧系慕殡姵?。并非所有的預浸料和芯材都相互兼容，并且具有不同介電常數的芯/預浸料疊堆使得很難預測互連中的確切介電常數和損耗（請參見(jiàn)下文）。

對于任何PCB芯或半固化片材料，高電壓下的爬電和泄漏電流都是一個(gè)問(wèn)題。銅的電遷移以及隨后的導電絲生長(cháng)是FR4材料的爬電規范的原因之一。該問(wèn)題以及對提高玻璃化轉變和分解溫度的期望促使了在FR4芯和層壓板中轉向使用非雙氰胺樹(shù)脂。與DICY樹(shù)脂相比，酚醛樹(shù)脂提供更高的分解溫度和玻璃化轉變溫度，同時(shí)在完全固化后還提供更高的絕緣電阻。

芯材和預浸料的有效介電常數

由于芯材和預浸料的結構明顯不同，從信號完整性的角度來(lái)看，獲得介電常數和損耗角正切的準確值非常重要。當信號的上升時(shí)間很短時(shí)，您可能可以擺脫從營(yíng)銷(xiāo)數據表中獲取價(jià)值的想法。一旦您的膝蓋頻率或模擬信號達到GHz范圍，您就需要小心使用數據表中引用的值，尤其是在建?；ミB行為和使用阻抗控制的布線(xiàn)時(shí)。

數據表值的問(wèn)題在于，實(shí)際測得的介電常數取決于測試方法，布線(xiàn)幾何形狀，特定頻率（特別是在GHz范圍內），樹(shù)脂含量甚至材料厚度。PCB芯/半固化片材料中的編織圖案使它們高度不均勻且各向異性，這意味著(zhù)重要的材料特性在空間和方向上都不同。這就是我們產(chǎn)生纖維編織效應（例如偏斜和纖維腔共振）的原因。

您可能會(huì )想，為什么在表征材料特性時(shí)層壓板的厚度很重要？原因是表征信號行為的重要參數是有效介電常數（請記住，這是一個(gè)復數?。?，這取決于材料中使用的走線(xiàn)尺寸和層厚度?？纯催@些關(guān)于微帶線(xiàn)和對稱(chēng)帶狀線(xiàn)傳輸線(xiàn)的文章。

最后，要考慮的另一個(gè)重要參數是給定層壓板的銅粗糙度。但是，您可以使用一個(gè)簡(jiǎn)單的線(xiàn)性近似來(lái)說(shuō)明銅的粗糙度：
具有銅粗糙度的有效介電常數

在該方程式中，H是電介質(zhì)的厚度，zRMS是粗糙度的均方根變化（標準偏差）。RMS值應由層壓板制造商指定。如果您為高速而設計，并且需要阻抗控制的布線(xiàn)，那么制造商應該可以為您提供這些值。為了進(jìn)行建模，您需要使用正確的模型來(lái)描述粗糙度。

如果您正在以極高的速度/高頻和低信號電平工作，并且需要高度準確的互連特性，那么很好的選擇是創(chuàng )建一個(gè)測試樣片并使用標準測量來(lái)確定有效介電常數。您的測試方法應使用與所需互連幾何形狀緊密匹配的幾何形狀。這需要在前端進(jìn)行一些工作，但是準確的測試和測量可以節省您在后端進(jìn)行的不必要的原型制作。