PCB材料选择

2020-04-05

有(yǒu)时，我会遇到一些设计师的问题，他(tā)们想进一步了解PCB材料的选择和制造工艺。我得到的一个问题是PCB芯与预浸料之间的确切區(qū)别。这些术语有(yǒu)时可(kě)以互换使用(yòng)，包括由新(xīn)手设计师使用(yòng)。

明确了芯材和预浸料之间的區(qū)别之后，应使用(yòng)哪种材料？重要的参数在電(diàn)镀，蚀刻和固化期间如何变化？随着越来越多(duō)的设计人员必须非常熟悉GHz频率的工作，这些要点对于正确确定这些材料上的走線(xiàn)大小(xiǎo)并避免复杂的信号完整性问题变得非常重要。

PCB核心与预浸料之间的區(qū)别

PCB芯和层压板是相似的，并且在某些方面有(yǒu)很(hěn)大的不同。您的核心实际上是一个或多(duō)个预浸料层压板，这些层压板可(kě)以通过加热进行压制，硬化和固化，并且该核心的每一侧均镀有(yǒu)铜箔。预浸材料用(yòng)树脂浸渍，其中树脂硬化但未固化。大多(duō)数制造商(shāng)将预浸料坯描述為(wèi)将核心材料粘合在一起的胶水。当将两个芯堆叠在预浸料层压板的每一侧时，将堆叠暴露在热下会导致树脂开始粘合到相邻层。硬化后的树脂通过交联缓慢固化，其最终的材料性能(néng)开始接近芯层的性能(néng)。

树脂材料包裹了玻璃编织物(wù)，该玻璃编织物(wù)的制造过程与制造纱線(xiàn)的过程非常相似。玻璃组织可(kě)以很(hěn)紧（例如7628预浸料）或很(hěn)松（例如1080预浸料），在制造过程中可(kě)以用(yòng)织机控制。纱線(xiàn)的任何间隙和整體(tǐ)均匀性将决定電(diàn)磁性能(néng)，電(diàn)磁性能(néng)随后会导致色散，损耗以及板上信号所见的任何纤维编织效应。
FR4 PCB芯/预浸料编织及其重要的材料性能(néng)

根据树脂含量，树脂类型和玻璃编织，PCB芯和预浸料的介電(diàn)常数可(kě)能(néng)略有(yǒu)不同。当设计要求非常精确的阻抗匹配的電(diàn)路板时，这可(kě)能(néng)是个问题，因為(wèi)轨道上的信号所看到的有(yǒu)效介電(diàn)常数取决于周围材料的介電(diàn)常数。并非所有(yǒu)的预浸料和芯材都相互兼容，并且具有(yǒu)不同介電(diàn)常数的芯/预浸料叠堆使得很(hěn)难预测互连中的确切介電(diàn)常数和损耗（请参见下文(wén)）。

对于任何PCB芯或半固化片材料，高電(diàn)压下的爬電(diàn)和泄漏電(diàn)流都是一个问题。铜的電(diàn)迁移以及随后的导電(diàn)丝生長(cháng)是FR4材料的爬電(diàn)规范的原因之一。该问题以及对提高玻璃化转变和分(fēn)解温度的期望促使了在FR4芯和层压板中转向使用(yòng)非双氰胺树脂。与DICY树脂相比，酚醛树脂提供更高的分(fēn)解温度和玻璃化转变温度，同时在完全固化后还提供更高的绝缘電(diàn)阻。

芯材和预浸料的有(yǒu)效介電(diàn)常数

由于芯材和预浸料的结构明显不同，从信号完整性的角度来看，获得介電(diàn)常数和损耗角正切的准确值非常重要。当信号的上升时间很(hěn)短时，您可(kě)能(néng)可(kě)以摆脱从营销数据表中获取价值的想法。一旦您的膝盖频率或模拟信号达到GHz范围，您就需要小(xiǎo)心使用(yòng)数据表中引用(yòng)的值，尤其是在建模互连行為(wèi)和使用(yòng)阻抗控制的布線(xiàn)时。

数据表值的问题在于，实际测得的介電(diàn)常数取决于测试方法，布線(xiàn)几何形状，特定频率（特别是在GHz范围内），树脂含量甚至材料厚度。PCB芯/半固化片材料中的编织图案使它们高度不均匀且各向异性，这意味着重要的材料特性在空间和方向上都不同。这就是我们产生纤维编织效应（例如偏斜和纤维腔共振）的原因。

您可(kě)能(néng)会想，為(wèi)什么在表征材料特性时层压板的厚度很(hěn)重要？原因是表征信号行為(wèi)的重要参数是有(yǒu)效介電(diàn)常数（请记住，这是一个复数！），这取决于材料中使用(yòng)的走線(xiàn)尺寸和层厚度。看看这些关于微带線(xiàn)和对称带状線(xiàn)传输線(xiàn)的文(wén)章。

最后，要考虑的另一个重要参数是给定层压板的铜粗糙度。但是，您可(kě)以使用(yòng)一个简单的線(xiàn)性近似来说明铜的粗糙度：
具有(yǒu)铜粗糙度的有(yǒu)效介電(diàn)常数

在该方程式中，H是電(diàn)介质的厚度，zRMS是粗糙度的均方根变化（标准偏差）。RMS值应由层压板制造商(shāng)指定。如果您為(wèi)高速而设计，并且需要阻抗控制的布線(xiàn)，那么制造商(shāng)应该可(kě)以為(wèi)您提供这些值。為(wèi)了进行建模，您需要使用(yòng)正确的模型来描述粗糙度。

如果您正在以极高的速度/高频和低信号電(diàn)平工作，并且需要高度准确的互连特性，那么很(hěn)好的选择是创建一个测试样片并使用(yòng)标准测量来确定有(yǒu)效介電(diàn)常数。您的测试方法应使用(yòng)与所需互连几何形状紧密匹配的几何形状。这需要在前端进行一些工作，但是准确的测试和测量可(kě)以节省您在后端进行的不必要的原型制作。