PCB板材选择考虑的因素有哪些?

来源:一博自媒体 时间:2019-12-2 类别:微信自媒体

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文 |  周伟

PCB板厂没有库存是很常见的事情,就连很多常规的普通FR4板材也会出现这种情况,这个时候很多板厂或者市场人员为了赶交期,就会和客户协商,“能否换种同样性能等级的材料?”客户就会反问回来:“具体换哪种呢?怎么保证性能匹配?”往往这又到了我们该出场的时间啦!
 
PCB板材的选择要考虑的因素主要分为内因和外因,我们先来看看内因。内因主要是材料本身的内在特性,通常我们需要关注的是电气性能、热性能以及物理(机械)性能,下面分别从这几大点来介绍一些主要的特性。

一、电气性能主要就是介电常数(Dk)与损耗角(Df)

Dk即Dielectric constant的简称,中文名叫介电常数,又叫介质常数或介电系数,它是表示绝缘能力特性的一个系数,以字母ε表示。在工程应用中,介电常数时常以相对介电常数的形式来表达,而不是绝对值,常见应用有计算阻抗和时延。

Df即Dissipationfactor的简称,中文名叫介质损耗因子,又叫阻尼因子、内耗(internal dissipation)或损耗角正切(loss tangent),是材料在交变力场作用下应变与应力周期相位差角的正切,也等于该材料的损耗模量与储能模量之比(通俗讲就是信号线中已漏失在绝缘板材中的能量,与尚存在线中能量的比值)。损耗与Dk&Df关系密切,如下为介质损耗的近似计算公式。

A=2.3*F*Dk*Df

其中A为单位inch的损耗(dB/inch),F为频率(GHz),Dk为相对介电常数,Df为损耗因子;

当然最终的损耗还有其他的一些影响因素,这个公式只是从介质本身的角度去评估单位长度的线路介质损耗,这个电气特性的数据我们也可以通过材料的规格书(datasheet)得到,如下表分别列出了两家材料厂家的手册。

表1、P厂家的材料手册说明
 
表2、T厂家的材料手册说明

可以看到电气特性都有介电常数和损耗因子的参数,其他的还有如体电阻和表面电阻等,我们一般也关注比较少,这些只需要满足IPC的规格要求就可以了,一些特殊的产品可能会去关注这几个参数,在此不是我们关注的重点。

二、热性能相关的特性参数

在介绍参数前,我们先来看看下面两家不同材料厂家的数据手册关于热性能参数的定义。
表3、P厂家的材料手册说明
 
表4、T厂家的材料手册说明

从表里面,我们看到的主要是Tg值,Td值,CTE以及T288/T260/T300等,下面我们分别介绍这些参数。

Tg值是GlassTransition Temperature的简称, 即玻璃态转化温度, 是玻璃态物质在玻璃态和高弹态(通常说的软化)之间相互转化的温度,在PCB行业中,此玻璃态物质一般是指由树脂或树脂与玻纤布组成的介质层。常用普通Tg板材的Tg要求大于135℃,中Tg要求大于150℃,高Tg要求大于170℃,Tg值越高,通常其耐热能力及尺寸稳定性越好。Tg值一般也有不同的测试方法,通常有DMA、DSC和TMA等,不同的测试方法测试结果可能会不一样,所以我们一般也是在同样的测试方法下去比较不同材料的Tg值。

Td值即Thermal Decomposition temperature的简称,又叫热分解温度,是指基材树脂受热失重5%时的温度,为印制板的基材受热引起分层和性能下降的标志。一般采用的是TGA的测试方法,Td值越高,材料稳定性越好(当然也是相对来说的)。

CTE即Coefficient of Thermal Expansion的简称,又叫热膨胀系数,通常衡量PCB板材性能的是线性膨胀系数,定义为:单位温度改变下长度的增加量与原长度的比值,如Z-CTE,最终影响的是板厚的变化尺寸。CTE值越低,尺寸稳定性越好,反之越差。

T288 是反映印制板基材耐焊接条件的一项技术指标,指印制板的基材在288℃条件下经受焊接高温而不产生起泡、分层等分解现象的最长时间,该时间越长对焊接越有利。

T260/T300也是同样的意思,只是温度指标不一样,在此不再解释。

三、物理(机械)性能相关的参数

如下表是某两家材料厂家的手册关于物理(机械)性能相关的参数。
表5、P厂家的材料手册说明
 
表6、T厂家的材料手册说明

可以看到基本就是吸水率、剥离强度、抗弯强度以及可燃性等,这部分不做过多解释,大家可以自行去找度娘。

除了上面提到的一些参数,有些材料参数可能会比较隐蔽,在一些手册里面可能找不到,但又是不得不考虑的,比如耐CAF性能及CTI等。

CAF是Conductive Anodic Filament 的简称,又叫离子迁移, 它是指金属离子在电场的作用下在非金属介质中发生的电迁移化学反应,从而在电路的阳极、阴极间形成一个导电通道而导致电路短路。随着电子工业的飞速发展,电子产品轻、薄、短、小化,PCB的孔间距和线间距就会变的越来越小,线路也越来越细密,这样一来PCB的耐离子迁移性能就变得越来越重要。CAF主要发生在如下图2所示的四种情况。
图2

CTI即Comparative Tracking lndex的简称,又叫相对漏电指数(或称为相比漏电指数、漏电起痕指数)。指材料表面能经受住50滴电解液(0.1%氯化铵水溶液)而没有形成漏电痕迹的最高电压值,单位为V。

前面说了内因,再来说说外因,外因就是外部的影响因素,比如加工难度及成本考虑,环保要求及交期(可及时获得性)等。

这些因素都没有太多复杂的学术解释需要,大家一看就清楚,咱们重点介绍涉及到的一些环保要求。

1、欧盟RoHS指令

主要用于规范电子电气产品的材料及工艺标准,使之更加有利于人体健康及环境保护,该标准的目的在于消除电机电子产品中的铅(Pb),镉(Cd),汞(Hg),六价铬(Cr6+),多溴联苯(PBBs)和多溴联苯醚(PBDEs)共6项物质,并重点规定了铅的含量不能超过0.1%。该标准已于2006年7月1日开始正式实施,所以现在很多PCB焊接也是需要无铅,这些都是基于环保的考虑。

2、WEEE指令

报废的电子电气设备指令

3、欧盟REACH法规-No SVHCs

是欧盟对进入其市场的所有化学品进行预防性管理的法规。已于2007年6月1日正式实施。
除了上面一些常见的环保指令和法规,有些国家和地区对卤素材料也有比较严格的限制,所以后面就出来了很多无卤素的材料,现在很多高速板材里面也慢慢的出了对应无卤素要求的板材,如Tu862HF、IT958G、IT988GSE等。
如下图3所示为常见环保要求的标志。
图3

看了上面的介绍,不知道大家在材料替换的时候是不是有点依据了,当然很多材料的手册和实际情况可能会有点差异,这个就需要大家平时去收集材料以及测试验证来积累了,有句俗话说得好:“师傅带进门,修行看个人”,希望大家看了文章后能达到如下图广告的效果,我只能帮你到这了。


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