PCB相关知识总结

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PCB相关基础性的知识,用思维导图方式来展示,让大家有更多的联想。

PCB组成

NEMA分类

NEMA--美国国家电气制造商协会制定了一个对基材分类的标准,除了NEMA标准,基材分类:增强材料类型、树脂体系类型、树脂体系的玻璃化转变温度(Tg)或材料的其他性能来进行分类。

半固化片&基材

将增强材料浸以树脂(半固化片),一面或两面覆以铜箔,经热压而成的一种板状材料,称为覆铜箔层压板,即为基材。

基材性能指标,有几个方面需要补充一下:

①玻璃化转变温度Tg

当材料被加热到的温度远高于其Tg值,可能导致不可逆的相态变化,但并不是说温度到达Tg值,就会发生不可逆的变化,只要树脂没有发生分解,这种热力学变化是可逆的。其实,当温度接近于Tg值,材料的物理特性就已经发生改变,随着温度继续升高,越来越多的分子键变弱,直到所有的键都开始发生物理变化。

高Tg值的基材往往比低Tg值的基材刚性更大且更脆。较低的铜剥离强度值和较短的分层测试时间也与高Tg值有关。

高端的FR4树脂体系往往具备高Tg值和高Td值。

②热膨胀

热膨胀系数(CTE)分为X轴、Y轴、Z轴热膨胀系数,一般指的是Z轴膨胀系数,因为对材料可靠性影响最大。

相对于玻璃布或其他增强材料,树脂具有相对较高的CTE。

③热分解温度

随着无铅工艺的出现,基材选择除了考虑玻璃化转变温度,还有一项指标:热分解温度。树脂会在一定温度点开始出现分解,树脂内的化学键开始断裂,有挥发成分逸出,质量减少。

Td通常定义为分解失去原始质量5%时对应的温度点。

为什么考虑Td?

通常认为Tg值越高,材料的可靠性越高。但是在无铅焊接工艺中,焊接合金往往需要比铅焊接工艺更高的回流温度,那这个温度可能已经接近很多基材中树脂的热分解温度了,因此有的时候Td是需要考虑的。

④分层时间

特定的测试特定温度下材料经历多长时间出现分层或爆板。分层时间受到CTE和树脂使用的不同固化剂的影响,体现的是材料的综合能力。

⑤铜箔剥离强度

剥离强度是测量导体与基体材料之间的结合力。铜箔厚度会影响测试的剥离强度值,默认为1oz厚的铜

⑥吸水和吸湿性

材料在空气或浸没在水中,其抵抗吸水的能力。水分容易膨胀扩散,导致基材出现分层。水分也会影响基材导电阳极丝(CAF)生长能力。

⑦阻燃性

美国保险商实验室(UL)将阻燃性能分类为94V-0,94V-1,94V-2等。UL94,代表的是材料的最低可燃性能

⑧电气性能

介电常数

树脂的介电常数比玻璃布小,树脂含量增加,介电常数变小。

损耗因子

树脂的损耗因子比玻璃布大,树脂含量增加,损耗因子变大。

介电常数一般随频率的增加而下降,损耗因子一般随频率的增加而上升,但会在某个频率点达到最大的情况。

介电常数和损耗因子通常都会随吸水率的上升而增加。

除了所说的基材性能指标,还有个IPC-410系列标准,IPC-4101 刚性及多层印制板基材规范,IPC-4103 高速/高频应用基材规范。

无铅组装涉及基材特性

RoHS限制使用的物质:铅(Pb),镉(Cd),汞(Hg),多溴联苯(PBB),多溴联苯醚(PBDE)等。

无铅组装会涉及基材的部分特性:

添加剂

添加剂有固化剂和阻燃剂。

树脂的有机成分要进行化学反应,才能产生聚合交联反应,需要使用固化剂。

RoHS限定了铅的使用,还对树脂配方中的阻燃剂做了限定。

关于阻燃剂:

大多数材料,固相抑制法和气相抑制法同时发生。

聚合物包含各种环氧树脂,具有不同的可燃性,树脂和固化剂类型会影响材料的基本可燃性,得出需要多少阻燃剂,以此确定材料的燃烧等级。

选择阻燃剂需要考虑其对树脂体系和基材产品性能的影响,有机磷系阻燃剂已成为PCB基材最常见的类型之一。

增强材料

增强材料有很多种,针对不同的产品需求会给添加不同的材料,以此来保证产品的性能。

下图列出对应材料的属性和功能:

E玻璃和NE玻璃能够很好地结合电气、机械、化学性能,是PCB最常用的玻璃纤维。

玻璃布上涂敷偶联剂(硅烷偶联剂),用于增强玻璃纤维和树脂之间的附着力,还有一个重要的作用就是抑制CAF的生长。

树脂体系

我们所说的FR-4是环氧树脂体系中的,FR-4代表的是什么?

FR代表阻燃,4代表环氧基数量。

环氧树脂混合物包括环氧聚苯醚(PPO),环氧氰酸酯等,提高环氧树脂的电性能,一般会在低等级又有电性能指标要求的材料中使用。当然,也会有陶瓷-PTFE(铁氟龙)共混使用

上面树脂体系的划分,各种资料会有不同。这么多树脂体系的选择,都是为了某类产品或者追求一些性能,也会使用不同树脂体系混合来达到要求,这也是最经济的解决之道。

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