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PCB基板材质特性差异对电路性能与制造工艺的影响

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2024-04-22 09:48:58
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PCB基板,作为印刷电路板(PCB)的基石,从根本上塑造了电路板的物理结构、电气性能与热行为。这种关键组件通常采用介电复合材料构造,其主体为环氧树脂,与单侧或双侧的铜箔层牢固粘接,形成了承载导电路径的坚实基础。为进一步增强绝缘保护,阻焊层被精确涂敷于铜层表面,有效地隔绝元件与铜质走线之间的直接接触,防止短路或意外损伤。

在多层PCB的设计与制造中,基板担当着至关重要的中间层角色。通过高温高压层压工艺,各层基板如同书页般被紧密且精确地整合为一体,形成了内部含有复杂互连结构的多层夹心板。这种层压技术确保了各层间的电气互连与机械稳定性,为实现高密度、多功能的电子设计铺平了道路。

基板的特性对PCB的物理属性具有决定性影响。选用刚性基板,如玻璃纤维增强环氧树脂(FR-4)等,赋予电路板出色的力学强度与结构刚性,确保其在严苛环境和长期服役中保持稳定的电气性能。这种类型的基板适用于要求高稳定、高载荷以及空间受限的应用场景,如工业控制设备、服务器主板等。

相反,采用柔性基板材料,如聚酰亚胺(PI)薄膜,使得电路板具备卓越的柔韧性和耐弯折性,能够适应复杂的三维空间布局或动态运动条件,而不影响信号传输的连续性和完整性。柔性PCB广泛应用于移动设备、可穿戴技术、医疗设备及航空航天等领域,它们能在有限的空间内实现复杂布线,或者在频繁弯曲、折叠的环境中保持电路功能正常。


PCB按基材的分类
按增强材料不同(常用的分类方法)

纸基板(FR-1,FR-2,FR-3):采用纸质基材,适用于一般电子应用。

环氧玻纤布基板(FR-4,FR-5):采用玻璃纤维布增强的环氧树脂,具有较高的机械强度和耐热性,是最常见的 PCB 基板类型之一,在许多行业中都有应用。

复合基板(CEM-1,CEM-3)采用复合材料,具有特定的机械和电气性能。

HDI板材(RCC) 是“附树脂铜皮”或“树脂涂布铜皮”,主要用于高密度电路(HDI)。


特殊基材(金属类基材、陶瓷类基材、热塑性基材等)用于满足特殊需求的应用。金属类基材通常用于需要较高散热性能的应用,陶瓷类基材则通常用于高频电路设计,而热塑性基材则具有较高的耐热性能,适用于高温环境下的应用。


02  按树脂不同来分

酚酫树脂板:采用酚酚树脂作为基材,具有特定的化学性能。

环氧树脂板采用环氧树脂,具有出色的机械性能和耐热性。

聚脂树脂板使用聚脂树脂作为基材,适用于一些一般应用。

BT树脂板采用BT树脂,适用于高频应用和高速电路设计。

聚酰亚胺树脂板使用聚酰亚胺树脂,具有卓越的高温性能。


03  按阻燃性能来分

阻燃型(UL94-VO,UL94-V1):具有良好的阻燃性能,适用于高要求的电子设备,能够有效防止火灾蔓延。

非阻燃型(UL94-HB级)阻燃性能较差,通常用于一般应用,不适合高要求的环境。


材料选用需关注的基材特性

01 玻璃转化温度(Tg)

当温度升高到某一区域时,由“玻璃态”转化为“橡胶态”,此时对应的温度 称为该板的玻璃化温度(Tg)。

通常Tg≥150℃,称为中Tg板材,Tg≥170℃,称作高Tg板材。对于层数多,厚度厚和面积大的高性能板,在焊接时,需要更多的热量,才能保证焊接的可靠性,如果采用常规PCB的焊接温度和焊接时间,造成“虚焊”的几率会增大。

因此这类板对比常规PCB应具有更好的耐热性能或更高的Tg温度。基板的Tg提高了,印制板的耐热性、耐潮湿性、耐稳定性等特征都会提高和改善,这对加工高密度高多层板非常关键。


02  热分解温度(TD)

指由于热作用而产生热分解反应的温度。TD值也是衡量板材耐热性的一个重要指标。高 TD 材料适合高温环境,减少基材分解的风险。


03  热膨胀系数(CTE)

描述板材受热或冷却时膨胀或收缩的一个百分比率,其单位温度上升引起基材尺寸的线性变化。基材在X、Y轴方向受玻璃布的钳制,CTE不大,普遍的膨胀系数在13-17之间。主要是关注板厚Z轴方向。Z轴CTE采用热机分析法来测量。

a1-CTE:TG以下热膨胀系数,标准最高为60ppm/ ℃

a2-CTE:TG以上热膨胀系数,标准最高为300ppm/ ℃


04  介电常数(DK)

表示材料的导电性。我们常用的PCB介质是FR4材料的,相对空气的介电常数是3.8-4.8。这个介电常数是会随温度变化的,在0-70 ℃的温度范围内,其最大变化范围可以达到20%。介电常数的变化会导致线路延时10%的变化,温度越高,延时越大。

介电常数还会随信号频率变化,频率越高介电常数越小。

在高频(指信号传输频率大于300MHz时)电路上应用的PCB,应采用越低介电常数Er,就可以得到越高的信号传输速度或越小的延迟时间,或者说信号的传输延迟时间与DK的平方根成正比,DK越高,其信号传输延迟现象越严重。


05  介质损耗(DF)

电介质材料在交变电场作用下,由于发热而消耗的能量称之谓介质损耗,通常以介质损耗因数tanδ表示。Er和tanδ是成正比的;Df值越低,其能量损耗越小,这对高频信号来说非常重要。


06  导热系数

导热系数又称为热传导系数,热传导率。它表示物质热传导性能的物理量。是指当等温面垂直距离为1米,其温度差为1 ℃时,由于热传导而在1小时内穿过1平方米面积的热量(千卡)。


材料性能对PCB功能的影响