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在現(xiàn)代電子設(shè)備的制造中，電路板（PCB）是至關(guān)重要的組成部分。PCB的設(shè)計涉及到許多因素，其中PCB材料特性是決定電路板性能和可靠性的重要因素之一。不同的PCB材料在熱、機械和電氣方面表現(xiàn)出不同的行為，而正確選擇和應(yīng)用這些材料可以最大程度地優(yōu)化電路板的性能。 在電子產(chǎn)品使用的PCB，基本都是由銅箔和有機材料組成的，如下圖所示：

 

重要的PCB材料特性

1. 電氣性能

電氣性能是決定電路板信號傳輸和性能的關(guān)鍵因素之一。在PCB材料中，介電常數(shù)是一個重要的電氣特性。介電常數(shù)影響信號的傳播速度和損耗，特別是在高速/高頻PCB設(shè)計中。介電常數(shù)隨著頻率的變化而變化，導(dǎo)致信號的色散和損耗。設(shè)計人員在選擇PCB材料時，應(yīng)特別關(guān)注介電常數(shù)的頻率依賴性，以確保在高頻應(yīng)用中獲得準(zhǔn)確的信號傳輸。

 

2. 結(jié)構(gòu)特性

PCB的結(jié)構(gòu)特性會影響電路板的機械、熱學(xué)和電氣性能。其中兩個關(guān)鍵方面是玻璃編織風(fēng)格和銅導(dǎo)體粗糙度。

 

玻璃編織風(fēng)格

玻璃編織風(fēng)格在PCB基板上留下縫隙，影響基板的介電常數(shù)和機械性能。玻璃編織風(fēng)格中的間隙會引起所謂的纖維編織效應(yīng)，導(dǎo)致介電常數(shù)的變化和信號損耗。這在高頻應(yīng)用中尤為明顯，可能影響信號的穩(wěn)定性和傳輸質(zhì)量。

 

銅導(dǎo)體粗糙度

銅導(dǎo)體的表面粗糙度影響電路板的電阻抗和信號傳輸。較粗糙的導(dǎo)體表面會增加高頻信號傳輸時的損耗，降低信號質(zhì)量。設(shè)計人員應(yīng)該選擇合適的導(dǎo)體制造方法和材料，以確保導(dǎo)體表面的平滑度和電氣性能。

 

3. 熱性能

PCB的熱性能對于電子設(shè)備的散熱和穩(wěn)定性至關(guān)重要。在選擇PCB材料時，熱導(dǎo)率和比熱是兩個重要的考慮因素。

 

熱導(dǎo)率和比熱

熱導(dǎo)率表示了熱量在材料中傳遞的能力，而比熱表示了材料溫度變化所需的熱量。這兩個參數(shù)共同影響電路板的熱傳導(dǎo)和溫度分布。對于需要高效散熱的應(yīng)用，應(yīng)選擇具有較高熱導(dǎo)率的PCB材料，以確保熱量能夠有效地從電路板散發(fā)出去。

 

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熱膨脹系數(shù)（CTE）

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熱膨脹系數(shù)是決定PCB材料在熱變化下性能的重要指標(biāo)。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是材料從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鹉z態(tài)的溫度，影響材料的機械性能和穩(wěn)定性。熱膨脹系數(shù)表示材料在溫度變化下體積的變化程度，影響PCB在熱循環(huán)中的可靠性和穩(wěn)定性。設(shè)計人員應(yīng)選擇具有適當(dāng)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熱膨脹系數(shù)的PCB材料，以適應(yīng)預(yù)期的工作溫度范圍和熱循環(huán)環(huán)境。

 

Tg指標(biāo)

（1）一般Tg的板材：130℃~150℃，如KB-6164F（140℃）、S1141（140℃）；

（2）中等Tg的板材：150℃~170℃，如KB-6165F（150℃）、S1141 150（150℃）；

（3）高等Tg的板材：170℃及以上，如KB-6167F（170℃）、S1170 （170℃）。

 

結(jié)論

在電路板設(shè)計中，正確選擇和應(yīng)用PCB材料是確保電路板性能和可靠性的關(guān)鍵。不同的PCB材料具有不同的電氣、結(jié)構(gòu)、機械和熱性能，設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)應(yīng)用需求仔細評估這些特性。通過考慮介電常數(shù)、結(jié)構(gòu)特性和熱性能等關(guān)鍵因素，設(shè)計人員可以制定出更穩(wěn)定、高效的電子設(shè)備，滿足不同應(yīng)用的需求。

 

常見問題解答

Q1: 為什么介電常數(shù)對PCB設(shè)計重要？

A: 介電常數(shù)影響信號傳播速度和損耗，對于高速/高頻PCB設(shè)計非常關(guān)鍵。

 

Q2: 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是什么？

A: 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是材料從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鹉z態(tài)的溫度，影響材料的機械性能和穩(wěn)定性。

 

Q3: 銅導(dǎo)體粗糙度對信號傳輸有何影響？

A: 銅導(dǎo)體粗糙度會增加信號傳輸時的損耗，降低信號質(zhì)量。

 

Q4: 為什么熱導(dǎo)率重要？

A: 熱導(dǎo)率影響電路板的散熱性能，對于高功率應(yīng)用非常關(guān)鍵。

 

Q5: 如何選擇合適的PCB材料？

A: 根據(jù)應(yīng)用需求評估電氣、結(jié)構(gòu)、機械和熱性能，選擇最適合的PCB材料以優(yōu)化性能和可靠性。

 

1、我們經(jīng)常選擇的FR-4不是一種材料的名稱

我們經(jīng)常指的“FR-4”是一種耐燃材料等級的代號，它所代表的意思是樹脂材料經(jīng)過燃燒狀態(tài)必須能夠自行熄滅的一種材料規(guī)格，它不是一種材料名稱，而是一種材料等級，因此目前一般電路板所用的FR-4等級材料就有非常多的種類，但是多數(shù)都是以所謂的四功能(Tera-Function)的環(huán)氧樹脂加上填充劑(Filler)以及玻璃纖維所做出的復(fù)合材料。

比如說我們家現(xiàn)在做的FR-4水綠玻纖板 黑色玻纖板，他都具有耐高溫、絕緣、阻燃等功能。所以大家在選擇材料的時候一定要搞清楚自己需要的材料要達到什么特點。這樣就好選購到自己所需的產(chǎn)品。

印刷電路板基材主要有二大類：有機類基板材料和無機類基板材料，使用最多的是有機類基板材料。層數(shù)不同使用的 PCB 基材也不同，比如 3～4 層板要用預(yù)制復(fù)合材料，雙面板則大多使用玻璃－環(huán)氧樹脂材料。

分類	材質(zhì)	名稱	代碼	特征
剛性覆銅薄板	紙基板	酚醛樹脂覆銅箔板	FR-1	經(jīng)濟性，阻燃
			FR-2	高電性，阻燃(冷沖)
			XXXPC	高電性(冷沖)
			XPC經(jīng)濟性	經(jīng)濟性(冷沖)
		環(huán)氧樹脂覆銅箔板	FR-3	高電性，阻燃
		聚酯樹脂覆銅箔板
	玻璃布基板	玻璃布－環(huán)氧樹脂覆銅箔板	FR-4
		耐熱玻璃布-環(huán)氧樹脂覆銅箔板	FR-5	G11
		玻璃布-聚酰亞胺樹脂覆銅箔板	GPY
		玻璃布-聚四氟乙烯樹脂覆銅箔板
復(fù)合材料基板	環(huán)氧樹脂類	紙（芯）-玻璃布（面）-環(huán)氧樹脂覆銅箔板	CEM-1，CEM-2	(CEM-1阻燃)；(CEM-2非阻燃)
		玻璃氈（芯）-玻璃布（面）-環(huán)氧樹脂覆銅箔板	CEM3	阻燃
	聚酯樹脂類	玻璃氈（芯）-玻璃布（面）-聚酯樹脂覆銅箔板
		玻璃纖維（芯）-玻璃布（面）-聚酯樹脂覆銅板
特殊基板	金屬類基板	金屬芯型
		金屬芯型
		包覆金屬型
	陶瓷類基板	氧化鋁基板
		氮化鋁基板	AIN
		碳化硅基板	SIC
		低溫?zé)苹?/span>
	耐熱熱塑性基板	聚砜類樹脂
		聚醚酮樹脂
	撓性覆銅箔板	聚酯樹脂覆銅箔板
		聚酰亞胺覆銅箔板

 

【最新PCB及相關(guān)材料IEC標(biāo)準(zhǔn)信息】

 

國際電工委員會（簡稱IEC）是一個由各國技術(shù)委員會組成的世界性標(biāo)準(zhǔn)化組織，我國的國家標(biāo)準(zhǔn)主要是以IEC標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)制定，IEC標(biāo)準(zhǔn)也是PCB及相關(guān)基材領(lǐng)域中標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展較快，先進的國際標(biāo)準(zhǔn)之一。為了便于同行了解PCB及相關(guān)材料的IEC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)信息，推進印電路技術(shù)的發(fā)展最快的與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌，今將IEC現(xiàn)行有效的PCB基材（覆箔板）標(biāo)準(zhǔn)、PCB標(biāo)準(zhǔn)、PCB相關(guān)材料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、其涉及的測試方法標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)信息及修訂情況整理如下：

 

PCB及基材測試方法標(biāo)準(zhǔn):

 

1、IEC61189-1（1997-03）：電子材料試驗方法，內(nèi)連結(jié)構(gòu)和組件----第一部分：一般試驗方法和方法學(xué)。

2、IEC61189（1997-04）電子材料試驗方法，內(nèi)連結(jié)構(gòu)和組件----第二部分：內(nèi)連結(jié)構(gòu)材料試驗方法 2000年1月第一次修訂

3、IEC61189-3（1997-04）電子材料試驗方法，內(nèi)連結(jié)構(gòu)和組件----第三部分：內(nèi)連結(jié)構(gòu)（印制板）試驗方法1999年7月第一次修訂。

4、IEC60326-2（1994-04）印制板----第二部分；試驗方法1992年6月第一次修訂。

 

PCB相關(guān)材料標(biāo)準(zhǔn)

 

1、IEC61249-5-1（1995-11）內(nèi)連結(jié)構(gòu)材料----第5部分：未涂膠導(dǎo)電箔和導(dǎo)電膜規(guī)范----第一部分：銅箔（用于制造覆銅基材）

2、IEC61249-5-4（1996-06）印制板和其它內(nèi)連結(jié)構(gòu)材料----第5部分：未涂膠導(dǎo)電箔和導(dǎo)電膜規(guī)范----第四部分；導(dǎo)電油墨。

3、IEC61249-7-（1995-04）內(nèi)連結(jié)構(gòu)材料----第7部分：抑制芯材料規(guī)范----第一部分：銅/因瓦/銅。

4、IEC61249-8-7（1996-04）內(nèi)連結(jié)構(gòu)材料----第8部分：非導(dǎo)電膜和涂層規(guī)范----第七部分：標(biāo)記油墨。

5、IEC61249 8 8（1997-06）內(nèi)連結(jié)構(gòu)材料----第8部分：非導(dǎo)電膜和涂層規(guī)范----第八部分：永久性聚合物涂層。

 

印制板標(biāo)準(zhǔn)

 

1、IEC60326-4（1996-12）印制板----第4部分：內(nèi)連剛性多層印板----分規(guī)范。

2、IEC60326-4-1（1996-12）印制板----第一4部分：內(nèi)連剛性多層印制板----分規(guī)范----第一部分：能力詳細規(guī)范----性能水平A、B、C。

3、IEC60326-3（1991-05）印制板----第三部分：印制板設(shè)計和使用。

4、IEC60326-4（1980-01）印制板----第四部分：單雙面普通也印制板規(guī)范（該標(biāo)準(zhǔn)1989年11月第一次修訂）。

5、IEC60326-5（1980-01）印制板----第五部分：有金屬化孔單雙面普通印制板規(guī)范（1989年月日0月第一次修訂）。

6、EC60326-7（1981-01）印制板----第七部分：（無金屬化孔）單雙面撓性印制板規(guī)范（1989年11月第一次修訂）。

7、EC60326-8（1981-01）印制板----第八部分：（有金屬化孔）單雙面撓性印制板規(guī)范（該標(biāo)準(zhǔn)1989年11月第一次修訂）。

8、EC60326-9（1981-03）印制板----第九部分：（有金屬化孔）單雙面撓性印制板規(guī)范（該標(biāo)準(zhǔn)1989年11月第一次修訂）。

9、EC60326-9（1981-03）印制板----第十部分：（有金屬化孔）剛-撓雙面印制板規(guī)范（1989年11月第一次修訂）。

10、EC60326-11（1991-03）印制板----第十一部分：（有金屬化孔）剛-撓多層印制板規(guī)范。

11、EC60326-12（1992-08）印制板----第十二部分：整體層壓拼板規(guī)范（多層印制板半成品）。

 

(1)紙基印紙基印紙基印紙基印制板制板制板制板 這類印制板使用的基材以纖維紙作增強材料，浸上樹脂溶液(酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂等)干燥加工后，覆以涂膠的電解銅箔，經(jīng)高溫高壓壓制而成。按美國 ASTM/NEMA(美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會/美國電氣制造商協(xié)會)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的型號，主要品種有FR-1、FR-2、FR-3(以上為阻燃類XPC、 XXXPC(以上為非阻燃類)。全球紙基印制板85%以上的市場在亞洲。最常用、生產(chǎn)量大的是FR-1和XPC印制板。

 

(2)環(huán)氧玻纖布印制板環(huán)氧玻纖布印制板環(huán)氧玻纖布印制板環(huán)氧玻纖布印制板 這類印制板使用的基材是環(huán)氧或改性環(huán)氧樹脂作黏合劑，玻纖布作為增強材料。這類印制板是當(dāng)前全球產(chǎn)量最大，使用最多的一類印制板。在ASTM/NEMA標(biāo)準(zhǔn)中，環(huán)氧玻纖布板有四個型號：G10(不阻燃)，F(xiàn)R-4(阻燃)；G11(保留熱強度，不阻燃)，F(xiàn)R-5(保留熱強度，阻燃)。實際上，非阻燃產(chǎn)品在逐年減少，F(xiàn)R-4占絕大部分。

 

(3)復(fù)合基材印制板合基材印制板合基材印制板合基材印制板 這類印制板使用的基材的面料和芯料是由不同增強材料構(gòu)成的。使用的覆銅板基材主要是CEM(composite epoxy material)系列，其中以CEM-1和CEM-3最具代表性。CEM一1基材面料是玻纖布，芯料是紙，樹脂是環(huán)氧，阻燃；CEM-3基材面料是玻纖布，芯料是玻纖紙，樹脂是環(huán)氧，阻燃。復(fù)合基印制板的基本特性同F(xiàn)R-4相當(dāng)，而成本較低，機械加工性能優(yōu)于FR-4。

 

(4)特種基材印制板特種基材印制板特種基材印制板特種基材印制板 金屬基材(鋁基、銅基、鐵基或因瓦鋼)、陶瓷基材，根據(jù)其特性、用途可做成金屬(陶瓷)基單、雙、多層印制板或金屬芯印制板。

 

2、選擇板材，我們需要考慮SMT帶來的影響

 

無鉛化電子組裝過程中， 由于溫度升高，印刷電路板受熱時發(fā)生彎曲的程度加大，故在 SMT 中要求盡量采用彎曲程度小的板材，如 FR-4 等類型的基板。由于基板受熱后的脹縮應(yīng)力對元件產(chǎn)生的影響，會造成電極剝離，降低可靠性，故選材時還應(yīng)該注意材料膨脹系數(shù)，尤其在元件大于 3.2×1.6mm 時要特別注意。表面組裝技術(shù)中用 PCB 要求高導(dǎo)熱性，優(yōu)良耐熱性（150℃，60min）和可焊性（260℃，10s），高銅箔粘合強度（1.5×104Pa 以上）和抗彎強度（25×104Pa），高導(dǎo)電率和小介電常數(shù)、好沖裁性（精度±0.02mm）及與清洗劑兼容性，另外要求外觀光滑平整，不可出現(xiàn) 翹曲、裂紋、傷痕及銹斑等。

 

3、PCB的厚度選擇

 

 印制電路板厚度有 0.5mm、0.7mm、0.8mm、1mm、1.5mm、1.6mm、（1.8mm）、 2.7mm、（3.0mm）、3.2mm、4.0mm、6.4mm，其中 0.7mm 和 1.5mm 板厚的 PCB 用 于帶金手指雙面板的設(shè)計，1.8mm 和 3.0mm 為非標(biāo)尺寸。印制電路板尺寸從生產(chǎn)角度考慮，最小單板不應(yīng)小于 250×200mm，一般理 想尺寸為（250～350mm）×（200×250mm），對于長邊小于 125mm 或?qū)掃呅∮?100mm 的 PCB，易采用拼板的方式。表面組裝技術(shù)對厚度為 1.6mm 基板彎曲量的 規(guī)定為上翹曲≤0.5mm，下翹曲≤1.2mm。通常所允許的彎曲率在 0.065%以下 根據(jù)金屬材料分為 3 種，典型的 PCB 所示；根據(jù)結(jié)構(gòu)軟硬分為 3 種，電子插件也向高腳數(shù)、小型化、SMD 化及復(fù)雜化發(fā)展。電子插件通過接腳安裝在線路板上并將接腳焊在另一面上，這種技術(shù)稱為 THT （ThroughHoleTechnology）插入式技術(shù)。這樣在 PCB 板上要為每只接腳鉆孔，示意了 PCB 的典型應(yīng)用方式。

 

4、鉆孔

 

隨著 SMT 貼片技術(shù)的高速發(fā)展，多層線路板之間需要導(dǎo)通，通過鉆孔后電鍍來保證，這就 需要各種鉆孔設(shè)備。為滿足以上的要求，目前，在國內(nèi)外推出不同性能的 PCB 數(shù)控鉆孔設(shè)備。印制線路板的生產(chǎn)過程是一個復(fù)雜的過程，它涉及的工藝范圍較廣，主要涉及的領(lǐng)域有光化學(xué)、電化學(xué)、熱化學(xué)；在生產(chǎn)制造過程中涉及的工藝步驟也比較多，以硬多層線路板為例來說明其加工工序。在整個工序中鉆孔是十分重要的工序，孔的加工占用的時間也是最長的，孔的位置精度和孔壁質(zhì)量直接影響后續(xù)孔的金屬化和貼片等工序，也直接影響印制線路板的加工質(zhì)量和加工成本數(shù)控鉆孔機原理、結(jié)構(gòu)及功能在線路板上鉆孔的常 用方法有數(shù)控機械鉆孔方法和激光鉆孔方法等，現(xiàn)階段以機械鉆孔方法使用最多。