[收藏好用]PCB下單時(shí)板材選擇的關(guān)鍵考慮因素

MATLAB畫圖

隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，印刷電路板（Printed Circuit Board，下文簡稱為PCB）已成為現(xiàn)代電子產(chǎn)品不可或缺的核心組件。PCB不僅是電子元件的物理載體，更是電路設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。在設(shè)計(jì)PCB上的互聯(lián)電路時(shí)，我們需要將PCB視為隱藏在原理圖中的最重要組件，比如我們需要精心設(shè)計(jì)PCB的疊層結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)傳輸線，但這些設(shè)計(jì)并沒有直接體現(xiàn)在原理圖中。在pcb設(shè)計(jì)階段，忽視PCB板材及其寄生參數(shù)的影響，是導(dǎo)致信號完整性（SI）、電源完整性（PI）和電磁兼容性（emc）出現(xiàn)問題的常見原因。在PCB的制造環(huán)節(jié)，板材的選擇對產(chǎn)品的性能、可靠性、成本以及最終的市場競爭力也有著深遠(yuǎn)的影響。
根據(jù)不同電子設(shè)備的開發(fā)需求，設(shè)計(jì)人員需要關(guān)注板材的各種特性，并選擇最適合的PCB材料。由于FR-4等級的基材已成為目前最主流的選擇，老wu這里主要介紹FR-4規(guī)格的基材的基本規(guī)格和選擇要點(diǎn)。
板材Tg的重要性溫度變化會導(dǎo)致PCB板厚方向的膨脹和收縮，并且如果溫度變化不斷重復(fù)，由于基材和通孔銅鍍層的熱膨脹系數(shù)（CTE）不同，會導(dǎo)致應(yīng)變積累，最終在釋放時(shí)發(fā)生過孔鍍層斷裂，造成PCB過孔失效。
為了確保通孔的連接可靠性，在基材的選擇時(shí)需要首先考慮的是玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg和Z軸熱膨脹系數(shù)Z-CTE。
對于PCB板材的選擇，最常提到的是Tg。樹脂系統(tǒng)的Tg是材料從相對剛性的或“玻璃態(tài)”狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦�具可變形性或軟化狀態(tài)的溫度。理解Tg很重要，因?yàn)榛�材的屬性在Tg以上與Tg以下是不同的。
所有材料在溫度變化時(shí)都會發(fā)生物理尺寸的變化�；�材在低于Tg時(shí)的膨脹速度遠(yuǎn)低于高于Tg時(shí)的膨脹速度。熱機(jī)械分析（TMA）是一種用于測量尺寸變化與溫度關(guān)系的方法。通過外推曲線的線性部分到它們相交的點(diǎn)，可以測量出Tg的值。

圖示：使用熱機(jī)械分析（TMA）測量玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）
曲線在Tg以上和以下的線性部分的斜率分別代表熱膨脹的速度，或者通常所說的熱膨脹系數(shù)（CTE）。CTE值很重要，因?yàn)樗鼈冇绊懗善冯娐返目煽啃�。在其他條件相同的情況下，較少的熱膨脹會導(dǎo)致電路的可靠性更高，因?yàn)閷﹄婂兛资┘拥膽?yīng)力較小。
雖然Tg通常被描述為一個(gè)非常精確的溫度，但這有些誤導(dǎo)，因?yàn)椴牧系奈锢硇再|(zhì)可以在接近Tg時(shí)開始發(fā)生變化。對于Tg值，我們要注意的是，雖然在基材規(guī)格表里給出的是一個(gè)具體的溫度值，比如Tg135、Tg155、Tg170等等，但如下圖所示采用TMA 方法測量的Tg值的示意圖

通過該圖我們可以了解到溫度變化與Tg值及CTE的關(guān)系，在溫度接近Tg值時(shí)，尺寸值已經(jīng)有了比較迅速的變化，也即基材在溫度接近Tg值時(shí)，其機(jī)械性能已經(jīng)有了較為顯著的劣化。
所以在選擇基材時(shí)，建議Tg應(yīng)比長期工作溫度高出約20-30°C。這一建議在實(shí)踐中多年來已被證明是有效的。
Tg在典型的FR4材料應(yīng)用中被分為三個(gè)溫度范圍：

標(biāo)準(zhǔn)Tg：130°C

中Tg：150°C

高Tg：170°C
舉個(gè)汽車行業(yè)的例子：車輛座艙區(qū)域的最高溫度為85°C，加上30℃文后，基材的Tg應(yīng)至少為115°C。由于我們使用的標(biāo)準(zhǔn)FR4材料的Tg至少為130°C，如果不考慮PCB裝配等環(huán)節(jié)的熱沖擊因素的影響，單就PCB的基材長期可靠運(yùn)行溫度而言，在這種情況下可以不需要中等或高Tg材料。
而在汽車發(fā)動機(jī)艙的情況則不同，這里的最高使用溫度為125°C，加上30℃后，這意味著Tg應(yīng)至少為155°C，因此需要使用高Tg材料（170°C）。
在許多關(guān)于Tg的討論中，隱含的假設(shè)是更高的Tg值總是更好的，但情況并不總是如此。雖然更高的Tg值確實(shí)能延遲樹脂系統(tǒng)中高熱膨脹率的開始，但不同材料的總膨脹量可能有所不同。由于樹脂的CTE值不同，或者由于在樹脂系統(tǒng)中加入了降低復(fù)合材料CTE的填料，一種具有較低Tg的材料可能表現(xiàn)出比具有較高Tg的材料更小的總膨脹量，如下圖所示。

材料C的Tg比材料A高，但由于其在Tg以上的CTE值更高，材料C表現(xiàn)出更大的總熱膨脹量。另一方面，材料B在Tg以上和以下的CTE值相同，但由于其Tg較高，材料B的總熱膨脹量比材料A小。最后，盡管材料B與材料C得Tg值相同，但由于材料B在Tg以上的CTE值較低，其表現(xiàn)出的總膨脹量比材料C小。
在焊接過程中，尤其是在符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)的無鉛工藝中，Tg 僅作為重要的選擇參考標(biāo)準(zhǔn)之一，因?yàn)檩^高的 Tg 值并不一定意味著在加工過程中具有更高的耐熱性。
為了降低出現(xiàn)熱機(jī)械故障（如分層現(xiàn)象）的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)該結(jié)合其他關(guān)鍵參數(shù)，尤其是分解溫度（Td）。
分解溫度 Td隨著PCB暴露在更高溫度下，例如在無鉛組裝過程中，材料的分解溫度（Td）變得更加關(guān)鍵。Td是衡量樹脂系統(tǒng)實(shí)際發(fā)生化學(xué)和物理降解的指標(biāo)。該測試使用熱重分析（TGA），通過測量樣品質(zhì)量與溫度的關(guān)系來確定Td，通常定義為樣品質(zhì)量損失5%時(shí)的溫度。

圖示：兩種具有175°C Tg值的FR-4材料的分解曲線
上圖展示了兩個(gè)具有相同Tg的FR-4材料，但它們的Td不同。經(jīng)驗(yàn)表明，Td是一項(xiàng)關(guān)鍵屬性，在進(jìn)行無鉛組裝轉(zhuǎn)換的規(guī)劃時(shí)，它至少與Tg同樣重要，甚至更為重要。
雖然Td的定義使用了5%質(zhì)量損失的標(biāo)準(zhǔn)，但理解2-3%質(zhì)量損失發(fā)生的溫度點(diǎn)，即分解開始的溫度點(diǎn)，也是非常重要的。通過上圖可以看到傳統(tǒng)的Sn/Pb組裝過程可以達(dá)到210°C至245°C的峰值溫度，其中230°C是一個(gè)很常見的值。在這一溫度范圍內(nèi)，這兩種材料均未表現(xiàn)出顯著的分解。然而，當(dāng)觀察無鉛組裝過程的工作溫度范圍時(shí)，可以看到傳統(tǒng)材料表現(xiàn)出2-3%的質(zhì)量損失。多次暴露在這些溫度下可能導(dǎo)致嚴(yán)重的降解。
當(dāng)達(dá)到分解溫度時(shí)，樹脂基質(zhì)會發(fā)生不可逆的損傷。在選擇PCB板材的Td時(shí)，作為經(jīng)驗(yàn)法則，可以遵循以下幾點(diǎn)：

Td越高，基材在溫度負(fù)荷下的預(yù)損傷越小。

較高的Td為無鉛制造和加工提供了安全余量。

溫度穩(wěn)定性好的基材的關(guān)鍵參數(shù)：Td (5%) > 325°C。
分層時(shí)間 T260 / T288這一可靠性測試參數(shù)（焊接沖擊測試）描述了材料在特定溫度下發(fā)生分層（通過尺寸變化表現(xiàn)出）的時(shí)間與溫度的關(guān)系。標(biāo)準(zhǔn)材料的T260通常為10到15分鐘，而熱穩(wěn)定材料在260°C下的分層時(shí)間超過60分鐘，在288°C下至少可以穩(wěn)定5分鐘。
材料的熱穩(wěn)定性主要取決于固化劑的類型（與填料含量有關(guān)）。這些數(shù)值同樣通過熱機(jī)械分析（TMA）方法測定。
作為經(jīng)驗(yàn)法則，可以遵循以下幾點(diǎn)：

T260 / T288 值越高，基材在長期或循環(huán)溫度負(fù)荷下發(fā)生粘結(jié)故障的風(fēng)險(xiǎn)越小。

較高的 T260 / T288 為無鉛制造和加工提供了安全余量。

溫度穩(wěn)定性良好的基材的關(guān)鍵參數(shù)：
T260 > 30 分鐘
T288 > 5 分鐘。
熱膨脹系數(shù) CTE熱膨脹系數(shù)(CTE)描述加熱時(shí)材料膨脹的屬性。由于大多數(shù)層壓板是增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，因此在X和Y軸上的CTE和在Z軸上的CTE通常是不同的。按照慣例，X軸對應(yīng)于增強(qiáng)材料的經(jīng)紗方向，而Y軸對應(yīng)于增強(qiáng)織物的緯紗方向，Z軸是與層壓板垂直的方向。測試值之間的差異與增強(qiáng)材料有關(guān)，增強(qiáng)材料較大程度限制了層壓板在X軸和Y軸的熱膨脹，然而樹脂可以在無增強(qiáng)材料限制的Z軸上出現(xiàn)熱膨脹。

與 FR-4 的 Z軸CTE相比，銅的 CTE 較低。因此，PCB孔壁內(nèi)的鍍銅會因膨脹系數(shù)不同而發(fā)生破裂。

在Tg以下的軸CTE與在Tg之上的Z軸CTE增值率有明顯區(qū)別
理想情況下，Z方向的CTE應(yīng)該與鍍銅孔中的銅膨脹率相匹配（大約17ppm/°C），以避免在焊接回流等工藝步驟產(chǎn)生的熱循環(huán)過程中因應(yīng)力不匹配而造成孔壁內(nèi)的鍍銅破裂。大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)材料在Tg以下的Z-CTE為50-60 ppm/°C，而在Tg以上則大約高出4倍。電路板越厚，焊接過程中對 Z 方向應(yīng)力就越大。因此，電路板越厚，就越傾向于使用高 Tg 材料和 Z-CTE 相對較低的材料。
對于高多層PCB而言，由于此類PCB大多都是采用的高密度化設(shè)計(jì)，各個(gè)層之間需要鉆孔然后在孔的內(nèi)壁鍍銅實(shí)現(xiàn)層間的互聯(lián)，這就對PCB制造時(shí)各個(gè)疊層的對準(zhǔn)提出了較高要求，電鍍通孔與各層走線之間的連接如果出現(xiàn)較大偏差，可能因各層之間的電氣連接失效而導(dǎo)致PCB的報(bào)廢。所以在制造高多層PCB時(shí)，對基材的X、Y、Z方向的CTE都有較高的要求，而可靠的PCB制造商通常也會采用高Tg（較低的CTE）的板材來制造高多層PCB。
嘉立創(chuàng)對于6層及以上的高多層PCB，提供了TG170的高Tg板材的選項(xiàng)，層數(shù)高于8層的高多層PCB，嘉立創(chuàng)會默認(rèn)提升為TG170的FR-4基材，在需要更高質(zhì)量的情況下，嘉立創(chuàng)也有生益 S1000-2M （TG 170）的基材可供選擇，足以應(yīng)對大多數(shù)應(yīng)用場景下的PCB基材的熱性能要求。
板材選型的其他關(guān)鍵因素在選擇PCB板材時(shí)，除了考慮材料的內(nèi)在特性之外，外部因素也扮演著重要的角色，這包括法律法規(guī)、成本、交期、以及板材品牌等。
在法律法規(guī)方面，歐盟RoHS指令、WEEE指令和歐盟REACH法規(guī)-No SVHCs 值得關(guān)注。
值得一提的是UL認(rèn)證。它相當(dāng)于PCB板材的學(xué)歷認(rèn)證。UL認(rèn)證是由全球檢測認(rèn)證機(jī)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)機(jī)構(gòu)美國UL有限責(zé)任公司創(chuàng)立。作為一個(gè)獨(dú)立的第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)，專門負(fù)責(zé)對各種產(chǎn)品的安全性和符合性進(jìn)行評估。
UL認(rèn)證覆蓋的范圍廣泛，對于PCB板材而言，它包含電氣安全、燃燒特性、環(huán)境適應(yīng)性等多個(gè)維度的評估。擁有UL標(biāo)志的PCB板材，表明其已經(jīng)經(jīng)過嚴(yán)格的測試和評估，符合特定的UL安全標(biāo)準(zhǔn)。這對于需要確保電子產(chǎn)品在全球市場上滿足最高安全和性能標(biāo)準(zhǔn)的制造商來說尤其重要。
嘉立創(chuàng)已通過UL認(rèn)證，編號為E479892，這意味著嘉立創(chuàng)產(chǎn)品符合國際安全標(biāo)準(zhǔn)，并滿足客戶和市場的需求。
像嘉立創(chuàng)，6層板使用建滔和中國南亞板材，品質(zhì)高，有保障。因?yàn)榻ㄌ习宀氖褂酶哔|(zhì)量的玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂（FR-4）作為基材，用高純度的銅箔作為導(dǎo)電層，且經(jīng)過嚴(yán)格的工藝處理，因此具有質(zhì)量高、性能好的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電子行業(yè)。而中國臺灣南亞同樣在市場上有不小的知名度，其提供的板料不僅具有良好的電氣性能、較高的強(qiáng)度和剛性，而且耐高溫、耐化學(xué)性能，能提高產(chǎn)品的可靠性和壽命。
針對8層板和更高層，嘉立創(chuàng)使用中國臺灣南亞和生益板料。其中，作為國內(nèi)知名的覆銅板供應(yīng)商，生益板料具有高標(biāo)準(zhǔn)、高品質(zhì)、高性能、高可靠性的特點(diǎn)，行業(yè)認(rèn)可度高，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、醫(yī)療儀表/器械、消費(fèi)電子、汽車等電子產(chǎn)品中。
在嘉立創(chuàng)，當(dāng)你下單時(shí)，系統(tǒng)有一個(gè)板材選項(xiàng)，用戶可以選擇指定板材品牌及其型號，還能快速了解其Tg值和阻燃性。

嘉立創(chuàng)高多層PCB下單-板材選項(xiàng)
如上圖所示，列出的選項(xiàng)均是采用真A級板材。這方面嘉立創(chuàng)做得是真心不錯(cuò)，是為數(shù)不多全部采用真A級料的廠商。真A級意味著沒有偷布，填料30%左右，阻燃板材。如果達(dá)不到這三點(diǎn)，那就是“假A級”板材。同時(shí)，我們還可以看到，嘉立創(chuàng)采用的板材均是94V0，即最高的阻燃等級。
此外，當(dāng)你在打樣前，還能免費(fèi)使用嘉立創(chuàng)板材質(zhì)量檢測服務(wù)，提前規(guī)避板材隱患，為產(chǎn)品保駕護(hù)航。

嘉立創(chuàng)板材檢測服務(wù)
檢測服務(wù)面向所有注冊用戶免費(fèi)開放，可檢測任何PCB供應(yīng)商的產(chǎn)品。
總結(jié)高多層PCB的板材選擇取決于很多因素，比如成本、板材的Dk和Df值、法律法規(guī)要求等，板材選擇考慮很多因素。根據(jù)不同電子設(shè)備的開發(fā)需求，設(shè)計(jì)人員需要關(guān)注板材的各種特性，并選擇最適合的PCB材料。
參考材料[1] "印制電路手冊 - 設(shè)計(jì)與制造"，清華大學(xué)出版社，2019 年，第116-137頁
[2] Re-engineered FR-4 Base Materials for Improved Multilayer PCB Performance，https://www.isola-group.com/wp-content/uploads/Re-engineered-FR-4-Base-Materials-for-Improved-Multilayer-PCB-Performance.pdf
[3] 全面認(rèn)識高多層PCB板材, https://www.jlc.com/portal/t6i42984.html

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