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

PCB 材料選擇：層疊注意事項

PCB堆疊

甲PCB層疊結構是建造多層PCB以連續的順序。疊層由磁芯、預浸料和銅箔組成。通常，堆疊是對稱的。大多數產品的板厚低于 62 密耳。

電路板用什么材料？

PCB材料：箔、芯和預浸料

使用以下 3 項制造印刷電路板：

• 預浸料：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 中的導體。

• 覆銅板（芯）：由預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：

玻璃化轉變溫度 ( T g)：玻璃化轉變溫度或 T g是隨著聚合物鏈變得更易移動，基材從玻璃態、剛性狀態轉變為軟化、可變形狀態的溫度范圍。當材料冷卻下來時，其特性會恢復到原來的狀態。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 材料發生化學分解的溫度（材料損失至少 5% 的質量）。與 T g一樣，T d也以攝氏度 (°C) 為單位表示。

熱導率 (K)：熱導率或 k，是材料傳導熱量的特性；低熱導率意味著低熱傳遞，而高導率意味著高熱傳遞。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 (CTE)：熱膨脹系數或 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。當材料的溫度升高超過 T g 時，CTE 也會升高。基板的 CTE 通常遠高于銅，這會在 PCB 加熱時導致互連問題。

電氣特性：

介電常數（E r或 D k）：考慮材料的介電常數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鍵因素。大多數PCB 材料的 Er在 2.5 到 4.5 的范圍內。

數據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。芯材或預浸料中的實際樹脂百分比隨成分而變化，因此D k 會發生變化。銅百分比和壓出半固化片的厚度將最終決定介質高度。介電常數通常隨著頻率的增加而降低。

損耗角正切 (tanδ) 或損耗因數 ( D f )：損耗角正切或損耗因數是電介質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 的低值導致“快”底物，而大值導致“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 (D k ) 與頻率響應的關系不是很平坦，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 數字/模擬應用。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 ~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與頻率響應曲線和低介電損耗。與其他材料相比，它們產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/微波應用的材料具有最平坦的 D k與頻率響應和最小的介電損耗。它們適用于高達 ~20GHz 的應用。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生的電場中振動。這會加熱電介質并導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

銅損本質上與流過導體的電流有關。電子可能并不總是流過導體的中心。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，趨膚效應損失會變得更大。這可以通過增加走線的寬度來補償，這反過來又會產生更大的表面積。更寬的走線總是具有更低的趨膚效應損失。銅箔-電介質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性

信號損耗與工作頻率之間的相關性

從上圖中可以看出，信號損失與頻率之間存在直接相關性。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。這些是標準且易于加工的日常材料，可用于任何應用。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械問題。Isola I-speed、Isola Astra 和 Tachyon 等材料在高頻下表現出低損耗。 

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構和較粗糙的表面。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，廣泛用于生產柔性 PCB。壓延銅具有水平紋理結構和更光滑的表面，這使其成為剛柔結合和柔性 PCB 的理想選擇。

PCB材料選擇最佳實踐

1. 熱膨脹匹配系數 (CTE)：CTE 是基板最關鍵的熱特性。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。它是根據標準測試方法在受控條件下由于吸水而導致 PCB 材料重量增加的百分比。大多數材料的吸濕值在 0.01% 到 0.20% 的范圍內。 

5. 始終使用耐 CAF 材料：導電陽極燈絲 (CAF) 是一種金屬燈絲，由電化學遷移過程形成，已知會導致 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

• 準確堆疊的 PCB 將減少電磁輻射、串擾并提高信號完整性。

• 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 PCB 的電路板。HDI 板的一些重要特性是：

• 小于或等于 100 μm 的細線/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。

優質HDI板的PCB材料選擇

尺寸穩定性：材料應尺寸穩定；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行補償，如果材料移動是可預測的，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行激光鉆孔（汽化）。高度集中的能量被引導到特定區域的聚焦光束中，該光束被材料吸收直至蒸發。

環氧樹脂是最常用的熱固性樹脂，是工業的支柱。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、機械和電性能。 確保所選材料適用于連續層壓。Sierra Circuits 推薦用于 HDI PCB 的 I-Speed 和 I-TeraMT40 材料。

PCB 制造商期望設計人員提供的文件/數據

以下是 PCB 制造商希望設計人員提供的一些生產文件。

Gerbers：Gerber 文件是一組包含 PCB 各層生產信息的文件。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在晶圓廠詳細信息中提及。 

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據提供了一個穩定的框架。ODB++ 文件并不能確保給定的數據足以制造設計，但它允許設計人員組合所有數據并執行所需的可制造性和可靠性檢查。

IPC-2581：IPC-2581 是用于數據定義和轉換方法的通用 PCB 組裝和制造標準。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 的制造細節，包括板尺寸、鉆孔細節、制造等級（2 級、3 級）和堆疊細節。制造圖紙以PDF格式發送給制造商，所有設計工具都支持導出PDF格式FAB圖紙的功能。

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

拾取和放置文件：機器使用拾取和放置文件使用坐標來識別板上各種組件的位置。 

IPC-356 網表文件：IPC-356 網表文件包含有關各種組件之間連接的信息。創建網表后，請確保它與原理圖網表相匹配。  

物料清單：BOM或物料清單包含了所有的組件列表中，并且在需要的設計制造及其規范。設計人員可以從他們的設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 材料選擇網絡研討會中提供的指南，您可以為您的設計選擇最佳材料。