電路板設計中要考慮的PCB材料特性

每個 PCB 的熱、機械和電氣行為取決于 PCB 基板、導體和組件材料的材料特性。 在這些不同的材料中，設計人員可以通過選擇正確的 PCB 基板材料來最大程度地控制電路板的行為。 PCB 材料的性能，尤其是樹脂和層壓板的性能，將決定您的電路板對機械、熱和電刺激的反應。

當您需要選擇 PCB 基板材料時，哪些 PCB 材料特性對您的 PCB 最重要？ 答案取決于 PCB 的應用和將部署 PCB 的環境。 在為下一個 PCB 選擇預浸料和層壓板材料時，您應該考慮以下重要的材料特性，以供您的應用參考。

重要的 PCB 材料特性

您對基板的選擇不再局限于FR4，但您不應輕易選擇PCB層壓板。 您應該首先了解不同的材料特性如何影響您的 PCB，然后選擇滿足您的操作要求的層壓板。 不要只聽層壓板制造商的營銷演講； 花時間了解每種基板的材料特性以及它們如何影響您的 PCB。

網上可以找到一些關于PCB材料性能的數據，但是最好咨詢一下廠家，特別是特殊層壓材料，因為沒有兩塊層壓板是完全一樣的，也沒有兩塊層壓板是完全一樣的。 陶瓷和金屬芯 PCB 等更奇特的材料具有一系列獨特的材料特性。

所有設計人員都應該了解的重要 PCB 材料特性分為四個方面：電氣、結構、機械和熱特性。

電氣性能

在當今的 PCB 基板材料中需要考慮的所有重要電氣特性都反映在介電常數中。

介電常數

這是設計用于高速/高頻 PCB 的堆棧時要考慮的主要電氣特性。 介電常數是一個復數，它是頻率的函數，在 PCB 基板中以下列形式引起色散：

速度色散：由于介電常數是頻率的函數，不同的頻率會經歷不同的損耗水平并以不同的速度傳播。

損耗色散：信號經歷的衰減也是頻率的函數。 簡單的色散模型表明損耗隨著頻率的增加而增加，但這并不嚴格正確。 某些層壓板的損耗與光譜之間可能存在復雜的關系。

這兩種效應會影響信號在傳播過程中所經歷的失真程度。 對于在非常窄的帶寬或單一頻率上運行的模擬信號，色散無關緊要。 然而，它在數字信號中極為重要，是高速數字信號建模和互連設計中的主要挑戰之一。

結構特性

PCB及其基板的結構也會影響電路板的機械、熱學和電氣性能。 這些特性主要體現在兩個方面：玻璃編織和銅導體粗糙度。

玻璃編織風格

玻璃編織圖案會在PCB基板上留下縫隙，這與板上的樹脂含量有關。 基板的平均介電常數可以通過結合玻璃和浸漬樹脂的體積比來確定。 此外，玻璃編織圖案中的間隙會產生所謂的纖維編織效應，其中基板介電常數沿互連線變化會產生偏轉、共振和損耗。 這些影響在~50 GHz 或更高頻率時變得非常突出，這將影響雷達信號、千兆位以太網和典型的 LVDS SerDes 通道信號。

銅質粗糙度

雖然這實際上是印刷銅導體的結構特征，但它有助于互連的電阻抗。 導體的表面粗糙度有效地增加了其在高頻下的集膚效應電阻，導致信號傳播過程中感應渦流引起的感應損耗。 銅蝕刻、銅沉積方法和半固化片表面都會在一定程度上影響表面粗糙度。

熱性能

選擇基板材料時，需要將PCB層壓板和基板的熱性能分為兩組。

熱導率和比熱

將板的溫度升高1度所需的熱量用基板的比熱來量化，單位時間內通過基板傳遞的熱量用熱導率來量化。 這些PCB材料的性能共同決定了PCB在運行過程中與環境達到熱平衡時的最終溫度。 如果您將電路板部署在需要快速將熱量散發到大型散熱器或機箱的環境中，則應使用導熱系數更高的基板。

玻璃化轉變溫度和熱膨脹系數 (CTE)

這兩種 PCB 材料特性也相關。 所有材料都有一定的熱膨脹系數（CTE），這恰恰是PCB基板中各向異性的大小（即不同方向的膨脹率不同）。 一旦電路板的溫度超過玻璃化轉變溫度（Tg），CTE值就會突然升高。 理想情況下，CTE值應在要求的溫度范圍內盡可能低，而Tg值應盡可能高。 Tg~130°C的最便宜的FR4基板，但大多數制造商提供Tg~170°C纖芯和層壓板的選擇。

上面列出的熱性能還與 PCB 基板上導體的機械穩定性有關。 特別是，CTE 不匹配會在高縱橫比通孔和盲/埋通孔中產生已知的可靠性問題，其中通孔容易因體積膨脹引起的機械應力而破裂。 因此，開發了高Tg材料和其他特殊層壓板，從事HDI設計的設計師可以考慮使用這些替代材料。