PCB板材選擇考慮的因素有哪些?

來源:一博自媒體 時間:2019-12-2 類別:微信自媒體

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文 |  周偉

PCB板廠沒有庫存是很常見的事情,就連很多常規的普通FR4板材也會出現這種情況,這個時候很多板廠或者市場人員為了趕交期,就會和客戶協商,“能否換種同樣性能等級的材料?”客戶就會反問回來:“具體換哪種呢?怎么保證性能匹配?”往往這又到了我們該出場的時間啦!
 
PCB板材的選擇要考慮的因素主要分為內因和外因,我們先來看看內因。內因主要是材料本身的內在特性,通常我們需要關注的是電氣性能、熱性能以及物理(機械)性能,下面分別從這幾大點來介紹一些主要的特性。

一、電氣性能主要就是介電常數(Dk)與損耗角(Df)

Dk即Dielectric constant的簡稱,中文名叫介電常數,又叫介質常數或介電系數,它是表示絕緣能力特性的一個系數,以字母ε表示。在工程應用中,介電常數時常以相對介電常數的形式來表達,而不是絕對值,常見應用有計算阻抗和時延。

Df即Dissipationfactor的簡稱,中文名叫介質損耗因子,又叫阻尼因子、內耗(internal dissipation)或損耗角正切(loss tangent),是材料在交變力場作用下應變與應力周期相位差角的正切,也等于該材料的損耗模量與儲能模量之比(通俗講就是信號線中已漏失在絕緣板材中的能量,與尚存在線中能量的比值)。損耗與Dk&Df關系密切,如下為介質損耗的近似計算公式。

A=2.3*F*Dk*Df

其中A為單位inch的損耗(dB/inch),F為頻率(GHz),Dk為相對介電常數,Df為損耗因子;

當然最終的損耗還有其他的一些影響因素,這個公式只是從介質本身的角度去評估單位長度的線路介質損耗,這個電氣特性的數據我們也可以通過材料的規格書(datasheet)得到,如下表分別列出了兩家材料廠家的手冊。

表1、P廠家的材料手冊說明
 
表2、T廠家的材料手冊說明

可以看到電氣特性都有介電常數和損耗因子的參數,其他的還有如體電阻和表面電阻等,我們一般也關注比較少,這些只需要滿足IPC的規格要求就可以了,一些特殊的產品可能會去關注這幾個參數,在此不是我們關注的重點。

二、熱性能相關的特性參數

在介紹參數前,我們先來看看下面兩家不同材料廠家的數據手冊關于熱性能參數的定義。
表3、P廠家的材料手冊說明
 
表4、T廠家的材料手冊說明

從表里面,我們看到的主要是Tg值,Td值,CTE以及T288/T260/T300等,下面我們分別介紹這些參數。

Tg值是GlassTransition Temperature的簡稱, 即玻璃態轉化溫度, 是玻璃態物質在玻璃態和高彈態(通常說的軟化)之間相互轉化的溫度,在PCB行業中,此玻璃態物質一般是指由樹脂或樹脂與玻纖布組成的介質層。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,通常其耐熱能力及尺寸穩定性越好。Tg值一般也有不同的測試方法,通常有DMA、DSC和TMA等,不同的測試方法測試結果可能會不一樣,所以我們一般也是在同樣的測試方法下去比較不同材料的Tg值。

Td值即Thermal Decomposition temperature的簡稱,又叫熱分解溫度,是指基材樹脂受熱失重5%時的溫度,為印制板的基材受熱引起分層和性能下降的標志。一般采用的是TGA的測試方法,Td值越高,材料穩定性越好(當然也是相對來說的)。

CTE即Coefficient of Thermal Expansion的簡稱,又叫熱膨脹系數,通常衡量PCB板材性能的是線性膨脹系數,定義為:單位溫度改變下長度的增加量與原長度的比值,如Z-CTE,最終影響的是板厚的變化尺寸。CTE值越低,尺寸穩定性越好,反之越差。

T288 是反映印制板基材耐焊接條件的一項技術指標,指印制板的基材在288℃條件下經受焊接高溫而不產生起泡、分層等分解現象的最長時間,該時間越長對焊接越有利。

T260/T300也是同樣的意思,只是溫度指標不一樣,在此不再解釋。

三、物理(機械)性能相關的參數

如下表是某兩家材料廠家的手冊關于物理(機械)性能相關的參數。
表5、P廠家的材料手冊說明
 
表6、T廠家的材料手冊說明

可以看到基本就是吸水率、剝離強度、抗彎強度以及可燃性等,這部分不做過多解釋,大家可以自行去找度娘。

除了上面提到的一些參數,有些材料參數可能會比較隱蔽,在一些手冊里面可能找不到,但又是不得不考慮的,比如耐CAF性能及CTI等。

CAF是Conductive Anodic Filament 的簡稱,又叫離子遷移, 它是指金屬離子在電場的作用下在非金屬介質中發生的電遷移化學反應,從而在電路的陽極、陰極間形成一個導電通道而導致電路短路。隨著電子工業的飛速發展,電子產品輕、薄、短、小化,PCB的孔間距和線間距就會變的越來越小,線路也越來越細密,這樣一來PCB的耐離子遷移性能就變得越來越重要。CAF主要發生在如下圖2所示的四種情況。
圖2

CTI即Comparative Tracking lndex的簡稱,又叫相對漏電指數(或稱為相比漏電指數、漏電起痕指數)。指材料表面能經受住50滴電解液(0.1%氯化銨水溶液)而沒有形成漏電痕跡的最高電壓值,單位為V。

前面說了內因,再來說說外因,外因就是外部的影響因素,比如加工難度及成本考慮,環保要求及交期(可及時獲得性)等。

這些因素都沒有太多復雜的學術解釋需要,大家一看就清楚,咱們重點介紹涉及到的一些環保要求。

1、歐盟RoHS指令

主要用于規范電子電氣產品的材料及工藝標準,使之更加有利于人體健康及環境保護,該標準的目的在于消除電機電子產品中的鉛(Pb),鎘(Cd),汞(Hg),六價鉻(Cr6+),多溴聯苯(PBBs)和多溴聯苯醚(PBDEs)共6項物質,并重點規定了鉛的含量不能超過0.1%。該標準已于2006年7月1日開始正式實施,所以現在很多PCB焊接也是需要無鉛,這些都是基于環保的考慮。

2、WEEE指令

報廢的電子電氣設備指令

3、歐盟REACH法規-No SVHCs

是歐盟對進入其市場的所有化學品進行預防性管理的法規。已于2007年6月1日正式實施。
除了上面一些常見的環保指令和法規,有些國家和地區對鹵素材料也有比較嚴格的限制,所以后面就出來了很多無鹵素的材料,現在很多高速板材里面也慢慢的出了對應無鹵素要求的板材,如Tu862HF、IT958G、IT988GSE等。
如下圖3所示為常見環保要求的標志。
圖3

看了上面的介紹,不知道大家在材料替換的時候是不是有點依據了,當然很多材料的手冊和實際情況可能會有點差異,這個就需要大家平時去收集材料以及測試驗證來積累了,有句俗話說得好:“師傅帶進門,修行看個人”,希望大家看了文章后能達到如下圖廣告的效果,我只能幫你到這了。


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