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PCB电路板材料选择


有时,我会遇到一些设计师的问题,他们想进一步了解PCB电路板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区别。这些术语有时可以互换使用,包括由新手设计师使用。
明确了芯材和预浸料之间的区别之后,应使用哪种材料?重要的参数在电镀,蚀刻和固化期间如何变化?随着越来越多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线大小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区别
PCB芯和层压板是相似的,并且在某些方面有很大的不同。您的核心实际上是一个或多个预浸料层压板,这些层压板可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铜箔。预浸材料用树脂浸渍,其中树脂硬化但未固化。大多数制造商将预浸料坯描述为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,其最终的材料性能开始接近芯层的性能。
树脂材料包裹了玻璃编织物,该玻璃编织物的制造过程与制造纱线的过程非常相似。玻璃组织可以很紧(例如7628预浸料)或很松(例如1080预浸料),在制造过程中可以用织机控制。纱线的任何间隙和整体均匀性将决定电磁性能,电磁性能随后会导致色散,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
根据树脂含量,树脂类型和玻璃编织,PCB芯和预浸料的介电常数可能略有不同。当设计要求非常精确的阻抗匹配的电路板时,这可能是个问题,因为轨道上的信号所看到的有效介电常数取决于周围材料的介电常数。并非所有的预浸料和芯材都相互兼容,并且具有不同介电常数的芯/预浸料叠堆使得很难预测互连中的确切介电常数和损耗(请参见下文)。
对于任何PCB芯或半固化片材料,高电压下的爬电和泄漏电流都是一个问题。铜的电迁移以及随后的导电丝生长是FR4材料的爬电规范的原因之一。该问题以及对提高玻璃化转变和分解温度的期望促使了在FR4芯和层压板中转向使用非双氰胺树脂。与DICY树脂相比,酚醛树脂提供更高的分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电阻。
芯材和预浸料的有效介电常数
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,获得介电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短时,您可能可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,您就需要小心使用数据表中引用的值,尤其是在建模互连行为和使用阻抗控制的布线时。
数据表值的问题在于,实际测得的介电常数取决于测试方法,布线几何形状,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。
您可能会想,为什么在表征材料特性时层压板的厚度很重要?原因是表征信号行为的重要参数是有效介电常数(请记住,这是一个复数!),这取决于材料中使用的走线尺寸和层厚度。看看这些关于微带线和对称带状线传输线的文章。
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,您可以使用一个简单的线性近似来说明铜的粗糙度:
具有铜粗糙度的有效介电常数
在该方程式中,H是电介质的厚度,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指定。如果您为高速而设计,并且需要阻抗控制的布线,那么制造商应该可以为您提供这些值。为了进行建模,您需要使用正确的模型来描述粗糙度。
如果您正在以极高的速度/高频和低信号电平工作,并且需要高度准确的互连特性,那么很好的选择是创建一个测试样片并使用标准测量来确定有效介电常数。您的测试方法应使用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以节省您在后端进行的不必要的原型制作。
2021-03-11
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