在選擇 PCB 材料時，為您的設(shè)計做出正確的選擇很重要，因為材料會影響整體性能。在進(jìn)入制造階段之前了解熱和電氣特性如何影響您的設(shè)計可以節(jié)省您的時間和金錢，同時實現(xiàn)最佳結(jié)果。 

PCB 材料選擇：層疊注意事項

PCB堆疊

甲PCB層疊結(jié)構(gòu)是建造多層PCB以連續(xù)的順序。疊層由磁芯、預(yù)浸料和銅箔組成。通常，堆疊是對稱的。大多數(shù)產(chǎn)品的板厚低于 62 密耳。

電路板用什么材料？

PCB材料：箔、芯和預(yù)浸料

使用以下 3 項制造印刷電路板：

• 預(yù)浸料：B 階段材料，具有粘性并允許粘合不同的層壓板或箔

• 銅箔：用作 PCB 中的導(dǎo)體。

• 覆銅板（芯）：由預(yù)浸料和銅箔層壓并固化而成。

介電材料的基本特性

我們知道PCB層壓板是由介電材料制成的。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：

熱性能：

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 ( T g)：玻璃化轉(zhuǎn)變溫度或 T g是隨著聚合物鏈變得更易移動，基材從玻璃態(tài)、剛性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檐浕⒖勺冃螤顟B(tài)的溫度范圍。當(dāng)材料冷卻下來時，其特性會恢復(fù)到原來的狀態(tài)。T g 以攝氏度 (°C) 為單位表示。

分解溫度 (T d )：分解溫度或 T d是 PCB 材料發(fā)生化學(xué)分解的溫度（材料損失至少 5% 的質(zhì)量）。與 T g一樣，T d也以攝氏度 (°C) 為單位表示。

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

熱膨脹系數(shù) (CTE)：熱膨脹系數(shù)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(dāng)材料的溫度升高超過 T g 時，CTE 也會升高。基板的 CTE 通常遠(yuǎn)高于銅，這會在 PCB 加熱時導(dǎo)致互連問題。

電氣特性：

介電常數(shù)（E r或 D k）：考慮材料的介電常數(shù)對于信號完整性和阻抗的考慮很重要，這是高頻電氣性能的關(guān)鍵因素。大多數(shù)PCB 材料的 Er在 2.5 到 4.5 的范圍內(nèi)。

數(shù)據(jù)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(yù)浸料中的實際樹脂百分比隨成分而變化，因此D k 會發(fā)生變化。銅百分比和壓出半固化片的厚度將最終決定介質(zhì)高度。介電常數(shù)通常隨著頻率的增加而降低。

損耗角正切 (tanδ) 或損耗因數(shù) ( D f )：損耗角正切或損耗因數(shù)是電介質(zhì)中電阻電流和無功電流之間相角的正切。介電損耗隨著 D f值的增加而增加。D f 的低值導(dǎo)致“快”底物，而大值導(dǎo)致“慢”底物。D f隨頻率略有增加；對于 D f值非常低的高頻材料，它隨頻率的變化非常小。值范圍從 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(shù) (D k ) 與頻率響應(yīng)的關(guān)系不是很平坦，并且它們具有更高的介電損耗。因此，它們的適用性僅限于幾個 GHz 數(shù)字/模擬應(yīng)用。這種材料的一個例子是 Isola 370HR。

中速和損耗：中速材料具有更平坦的 D k與頻率響應(yīng)曲線，并且介電損耗約為正常速度材料的一半。這些適用于高達(dá) ~10GHz。這種材料的一個例子是 Nelco N7000-2 HT。

高速和低損耗：這些材料還具有更平坦的 D k與頻率響應(yīng)曲線和低介電損耗。與其他材料相比，它們產(chǎn)生的有害電噪聲也更少。這種材料的一個例子是 Isola I-Speed。

非常高的速度和非常低的損耗（射頻/微波）：用于射頻/微波應(yīng)用的材料具有最平坦的 D k與頻率響應(yīng)和最小的介電損耗。它們適用于高達(dá) ~20GHz 的應(yīng)用。這種材料的一個例子是 Isola I-Tera MT40 和 Tachyon 100G。

Sierra Circuits的首選材料

信號損耗和工作頻率

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減少電路板上的衰減。當(dāng)談到 PCB 中的信號損耗時，這兩種材料起著非常重要的作用。信號損耗包括介質(zhì)損耗和銅損耗。 

介電損耗

介電材料由極化分子組成。這些分子在信號軌跡上隨時間變化的信號產(chǎn)生的電場中振動。這會加熱電介質(zhì)并導(dǎo)致信號損耗的介電損耗部分。這種信號損失隨著頻率的增加而增加。使用耗散因數(shù)較低的材料可以最大限度地減少信號損失。頻率越高，任何給定材料的損耗就越大。這是由于不斷變化的電磁場導(dǎo)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(zhì)上與流過導(dǎo)體的電流有關(guān)。電子可能并不總是流過導(dǎo)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(yīng)損失會變得更大。這可以通過增加走線的寬度來補(bǔ)償，這反過來又會產(chǎn)生更大的表面積。更寬的走線總是具有更低的趨膚效應(yīng)損失。銅箔-電介質(zhì)齒形界面輪廓增加了有效長度，從而增加了銅損。始終建議使用薄型或極薄型銅。

信號損耗與工作頻率之間的相關(guān)性

信號損耗與工作頻率之間的相關(guān)性

從上圖中可以看出，信號損失與頻率之間存在直接相關(guān)性。同時，我們還可以看到某些材料的損耗比其他材料低。信號損失或衰減隨頻率增加。 該圖顯示了哪些材料在更高的速度下可能具有更好的電氣性能。

為了更好地選擇 PCB 材料，下表根據(jù)信號損耗特性將基本材料分為不同的類別。

PCB材料類別對比 10 GHz 時的損耗角正切

在左邊，我們有像 FR-4 這樣的材料。這些是標(biāo)準(zhǔn)且易于加工的日常材料，可用于任何應(yīng)用。但它們也是損耗最大的層壓板。它還可能有大量其他電氣和機(jī)械問題。Isola I-speed、Isola Astra 和 Tachyon 等材料在高頻下表現(xiàn)出低損耗。 

銅箔選擇

以下是我們在選擇銅箔時需要考慮的幾個特性：

1. 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。

2. 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。 

3. 銅電介質(zhì)接口輪廓： 薄型在高頻下具有較低的信號銅損。

銅箔種類

電鍍銅：這種銅具有垂直的晶粒結(jié)構(gòu)和較粗糙的表面。電鍍銅通常用于剛性 PCB。 

壓延銅：一種銅，通過在重輥之間加工制成非常薄，廣泛用于生產(chǎn)柔性 PCB。壓延銅具有水平紋理結(jié)構(gòu)和更光滑的表面，這使其成為剛?cè)峤Y(jié)合和柔性 PCB 的理想選擇。

PCB材料選擇最佳實踐

1. 熱膨脹匹配系數(shù) (CTE)：CTE 是基板最關(guān)鍵的熱特性。如果基板的組件具有不同的 CTE，它們可能會在制造過程中以不同的速率膨脹。

2. 選擇緊密的基材組織：緊密基材組織中的 D k分布將是均勻的。  

3. 在高頻應(yīng)用中避免使用 FR（阻燃劑）4：這是由于其高介電損耗和更陡峭的 D k 與頻率響應(yīng)曲線。（對于低于 1 GHz 的頻率）。 

4. 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(jù)標(biāo)準(zhǔn)測試方法在受控條件下由于吸水而導(dǎo)致 PCB 材料重量增加的百分比。大多數(shù)材料的吸濕值在 0.01% 到 0.20% 的范圍內(nèi)。 

5. 始終使用耐 CAF 材料：導(dǎo)電陽極燈絲 (CAF) 是一種金屬燈絲，由電化學(xué)遷移過程形成，已知會導(dǎo)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(zhǔn)確堆疊的 PCB 將減少電磁輻射、串?dāng)_并提高信號完整性。

• 它控制走線的阻抗。

• 減小PCB的尺寸。

• 降低布線密度。

• 提供低噪聲接地層和電源層。 

• 降低接地層和電源層的電阻率。

示例堆疊

10 層 PCB 堆疊

12層PCB堆疊

典型的 12 層 PCB 堆疊

HDI 板和關(guān)鍵考慮因素

8 層 HDI PCB

高密度互連 (HDI) PCB 是單位面積布線密度高于傳統(tǒng) PCB 的電路板。HDI 板的一些重要特性是：

• 小于或等于 100 μm 的細(xì)線/間距。

• 小于或等于 150 μm 的微孔。

• 捕獲焊盤小于400 μ米

• 捕獲墊密度大于每平方厘米 20 個墊。

優(yōu)質(zhì)HDI板的PCB材料選擇

尺寸穩(wěn)定性：材料應(yīng)尺寸穩(wěn)定；這也適用于非 HDI PCB。所有材料在制造過程中都會在一定程度上收縮和拉伸，并且必須縮放圖案以進(jìn)行補(bǔ)償，如果材料移動是可預(yù)測的，這不是問題。

可加工性：材料必須易于加工。對于 HDI，這意味著可以毫無問題地對其進(jìn)行激光鉆孔（汽化）。高度集中的能量被引導(dǎo)到特定區(qū)域的聚焦光束中，該光束被材料吸收直至蒸發(fā)。

環(huán)氧樹脂是最常用的熱固性樹脂，是工業(yè)的支柱。由于其相對較低的成本、出色的附著力（對金屬箔以及自身）以及良好的熱、機(jī)械和電性能。 確保所選材料適用于連續(xù)層壓。Sierra Circuits 推薦用于 HDI PCB 的 I-Speed 和 I-TeraMT40 材料。

PCB 制造商期望設(shè)計人員提供的文件/數(shù)據(jù)

以下是 PCB 制造商希望設(shè)計人員提供的一些生產(chǎn)文件。

Gerbers：Gerber 文件是一組包含 PCB 各層生產(chǎn)信息的文件。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(yīng)在晶圓廠詳細(xì)信息中提及。 

ODB++：ODB++ 是一種智能格式。單個 ODB++ 文件或目錄包含定義 PCB 層所需的所有信息。. 單個 ODB++ 文件或目錄包含定義 PCB 層所需的所有信息。這種文件格式為所需數(shù)據(jù)提供了一個穩(wěn)定的框架。ODB++ 文件并不能確保給定的數(shù)據(jù)足以制造設(shè)計，但它允許設(shè)計人員組合所有數(shù)據(jù)并執(zhí)行所需的可制造性和可靠性檢查。

IPC-2581：IPC-2581 是用于數(shù)據(jù)定義和轉(zhuǎn)換方法的通用 PCB 組裝和制造標(biāo)準(zhǔn)。IPC-2581 可以在單個 XML 文件中包含大量文件。

FAB 圖紙輪廓鉆孔圖：Fab 圖紙給出了 PCB 的制造細(xì)節(jié)，包括板尺寸、鉆孔細(xì)節(jié)、制造等級（2 級、3 級）和堆疊細(xì)節(jié)。制造圖紙以PDF格式發(fā)送給制造商，所有設(shè)計工具都支持導(dǎo)出PDF格式FAB圖紙的功能。

NC 鉆孔：NC 鉆孔文件提供有關(guān)電路板上所需的所有孔的信息。它將作為鉆孔機(jī)的輸入，在板上鉆出所需的孔。

拾取和放置文件：機(jī)器使用拾取和放置文件使用坐標(biāo)來識別板上各種組件的位置。 

IPC-356 網(wǎng)表文件：IPC-356 網(wǎng)表文件包含有關(guān)各種組件之間連接的信息。創(chuàng)建網(wǎng)表后，請確保它與原理圖網(wǎng)表相匹配。  

物料清單：BOM或物料清單包含了所有的組件列表中，并且在需要的設(shè)計制造及其規(guī)范。設(shè)計人員可以從他們的設(shè)計軟件中生成定制的 BOM，該軟件在 Excel 電子表格中列出了組件的所有封裝。這些 BOM 用作制造商的參考，以通過參考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，因為材料會影響信號走線的電氣性能。遵循此 PCB 材料選擇網(wǎng)絡(luò)研討會中提供的指南，您可以為您的設(shè)計選擇最佳材料。