电路板设计中要考虑的PCB材料特性

电路板设计中要考虑的PCB材料特性

每个 PCB 的热、机械和电气行为取决于 PCB 基板、导体和组件材料的材料特性。 在这些不同的材料中，设计人员可以通过选择正确的 PCB 基板材料来最大程度地控制电路板的行为。 PCB 材料的性能，尤其是树脂和层压板的性能，将决定您的电路板对机械、热和电刺激的反应。

当您需要选择 PCB 基板材料时，哪些 PCB 材料特性对您的 PCB 最重要？ 答案取决于 PCB 的应用和将部署 PCB 的环境。 在为下一个 PCB 选择预浸料和层压板材料时，您应该考虑以下重要的材料特性，以供您的应用参考。

重要的 PCB 材料特性

您对基板的选择不再局限于FR4，但您不应轻易选择PCB层压板。 您应该首先了解不同的材料特性如何影响您的 PCB，然后选择满足您的操作要求的层压板。 不要只听层压板制造商的营销演讲； 花时间了解每种基板的材料特性以及它们如何影响您的 PCB。

网上可以找到一些关于PCB材料性能的数据，但是最好咨询一下厂家，特别是特殊层压材料，因为没有两块层压板是完全一样的，也没有两块层压板是完全一样的。 陶瓷和金属芯 PCB 等更奇特的材料具有一系列独特的材料特性。

所有设计人员都应该了解的重要 PCB 材料特性分为四个方面：电气、结构、机械和热特性。

电气性能

在当今的 PCB 基板材料中需要考虑的所有重要电气特性都反映在介电常数中。

介电常数

这是设计用于高速/高频 PCB 的堆栈时要考虑的主要电气特性。 介电常数是一个复数，它是频率的函数，在 PCB 基板中以下列形式引起色散：

速度色散：由于介电常数是频率的函数，不同的频率会经历不同的损耗水平并以不同的速度传播。

损耗色散：信号经历的衰减也是频率的函数。 简单的色散模型表明损耗随着频率的增加而增加，但这并不严格正确。 某些层压板的损耗与光谱之间可能存在复杂的关系。

这两种效应会影响信号在传播过程中所经历的失真程度。 对于在非常窄的带宽或单一频率上运行的模拟信号，色散无关紧要。 然而，它在数字信号中极为重要，是高速数字信号建模和互连设计中的主要挑战之一。

结构特性

PCB及其基板的结构也会影响电路板的机械、热学和电气性能。 这些特性主要体现在两个方面：玻璃编织和铜导体粗糙度。

玻璃编织风格

玻璃编织图案会在PCB基板上留下缝隙，这与板上的树脂含量有关。 基板的平均介电常数可以通过结合玻璃和浸渍树脂的体积比来确定。 此外，玻璃编织图案中的间隙会产生所谓的纤维编织效应，其中基板介电常数沿互连线变化会产生偏转、共振和损耗。 这些影响在~50 GHz 或更高频率时变得非常突出，这将影响雷达信号、千兆位以太网和典型的 LVDS SerDes 通道信号。

铜质粗糙度

虽然这实际上是印刷铜导体的结构特征，但它有助于互连的电阻抗。 导体的表面粗糙度有效地增加了其在高频下的集肤效应电阻，导致信号传播过程中感应涡流引起的感应损耗。 铜蚀刻、铜沉积方法和半固化片表面都会在一定程度上影响表面粗糙度。

热性能

选择基板材料时，需要将PCB层压板和基板的热性能分为两组。

热导率和比热

将板的温度升高1度所需的热量用基板的比热来量化，单位时间内通过基板传递的热量用热导率来量化。 这些PCB材料的性能共同决定了PCB在运行过程中与环境达到热平衡时的最终温度。 如果您将电路板部署在需要快速将热量散发到大型散热器或机箱的环境中，则应使用导热系数更高的基板。

玻璃化转变温度和热膨胀系数 (CTE)

这两种 PCB 材料特性也相关。 所有材料都有一定的热膨胀系数（CTE），这恰恰是PCB基板中各向异性的大小（即不同方向的膨胀率不同）。 一旦电路板的温度超过玻璃化转变温度（Tg），CTE值就会突然升高。 理想情况下，CTE值应在要求的温度范围内尽可能低，而Tg值应尽可能高。 Tg~130°C的最便宜的FR4基板，但大多数制造商提供Tg~170°C纤芯和层压板的选择。

上面列出的热性能还与 PCB 基板上导体的机械稳定性有关。 特别是，CTE 不匹配会在高纵横比通孔和盲/埋通孔中产生已知的可靠性问题，其中通孔容易因体积膨胀引起的机械应力而破裂。 因此，开发了高Tg材料和其他特殊层压板，从事HDI设计的设计师可以考虑使用这些替代材料。