PCB相關(guān)知識總結(jié)

本文章轉(zhuǎn)載自廣元兄的公眾號：信號完整性學(xué)習(xí)之路

PCB相關(guān)基礎(chǔ)性的知識，用思維導(dǎo)圖方式來展示，讓大家有更多的聯(lián)想。

PCB組成

NEMA分類

NEMA--美國國家電氣制造商協(xié)會制定了一個對基材分類的標(biāo)準(zhǔn)，除了NEMA標(biāo)準(zhǔn)，基材分類：增強(qiáng)材料類型、樹脂體系類型、樹脂體系的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）或材料的其他性能來進(jìn)行分類。

半固化片&基材

將增強(qiáng)材料浸以樹脂（半固化片），一面或兩面覆以銅箔，經(jīng)熱壓而成的一種板狀材料，稱為覆銅箔層壓板，即為基材。

基材性能指標(biāo)，有幾個方面需要補(bǔ)充一下：

①玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg

當(dāng)材料被加熱到的溫度遠(yuǎn)高于其Tg值，可能導(dǎo)致不可逆的相態(tài)變化，但并不是說溫度到達(dá)Tg值，就會發(fā)生不可逆的變化，只要樹脂沒有發(fā)生分解，這種熱力學(xué)變化是可逆的。其實，當(dāng)溫度接近于Tg值，材料的物理特性就已經(jīng)發(fā)生改變，隨著溫度繼續(xù)升高，越來越多的分子鍵變?nèi)酰钡剿械逆I都開始發(fā)生物理變化。

高Tg值的基材往往比低Tg值的基材剛性更大且更脆。較低的銅剝離強(qiáng)度值和較短的分層測試時間也與高Tg值有關(guān)。

高端的FR4樹脂體系往往具備高Tg值和高Td值。

②熱膨脹

熱膨脹系數(shù)（CTE）分為X軸、Y軸、Z軸熱膨脹系數(shù)，一般指的是Z軸膨脹系數(shù)，因為對材料可靠性影響最大。

相對于玻璃布或其他增強(qiáng)材料，樹脂具有相對較高的CTE。

③熱分解溫度

隨著無鉛工藝的出現(xiàn)，基材選擇除了考慮玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，還有一項指標(biāo)：熱分解溫度。樹脂會在一定溫度點開始出現(xiàn)分解，樹脂內(nèi)的化學(xué)鍵開始斷裂，有揮發(fā)成分逸出，質(zhì)量減少。

Td通常定義為分解失去原始質(zhì)量5%時對應(yīng)的溫度點。

為什么考慮Td？

通常認(rèn)為Tg值越高，材料的可靠性越高。但是在無鉛焊接工藝中，焊接合金往往需要比鉛焊接工藝更高的回流溫度，那這個溫度可能已經(jīng)接近很多基材中樹脂的熱分解溫度了，因此有的時候Td是需要考慮的。

④分層時間

特定的測試特定溫度下材料經(jīng)歷多長時間出現(xiàn)分層或爆板。分層時間受到CTE和樹脂使用的不同固化劑的影響，體現(xiàn)的是材料的綜合能力。

⑤銅箔剝離強(qiáng)度

剝離強(qiáng)度是測量導(dǎo)體與基體材料之間的結(jié)合力。銅箔厚度會影響測試的剝離強(qiáng)度值，默認(rèn)為1oz厚的銅。

⑥吸水和吸濕性

材料在空氣或浸沒在水中，其抵抗吸水的能力。水分容易膨脹擴(kuò)散，導(dǎo)致基材出現(xiàn)分層。水分也會影響基材導(dǎo)電陽極絲（CAF）生長能力。

⑦阻燃性

美國保險商實驗室（UL）將阻燃性能分類為94V-0，94V-1，94V-2等。UL94，代表的是材料的最低可燃性能。

⑧電氣性能

介電常數(shù)

樹脂的介電常數(shù)比玻璃布小，樹脂含量增加，介電常數(shù)變小。

損耗因子

樹脂的損耗因子比玻璃布大，樹脂含量增加，損耗因子變大。

介電常數(shù)一般隨頻率的增加而下降，損耗因子一般隨頻率的增加而上升，但會在某個頻率點達(dá)到最大的情況。

介電常數(shù)和損耗因子通常都會隨吸水率的上升而增加。

除了所說的基材性能指標(biāo)，還有個IPC-410系列標(biāo)準(zhǔn)，IPC-4101 剛性及多層印制板基材規(guī)范，IPC-4103 高速/高頻應(yīng)用基材規(guī)范。

無鉛組裝涉及基材特性

RoHS限制使用的物質(zhì)：鉛(Pb)，鎘(Cd)，汞(Hg)，多溴聯(lián)苯(PBB)，多溴聯(lián)苯醚(PBDE)等。

無鉛組裝會涉及基材的部分特性：

添加劑

添加劑有固化劑和阻燃劑。

樹脂的有機(jī)成分要進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，才能產(chǎn)生聚合交聯(lián)反應(yīng)，需要使用固化劑。

RoHS限定了鉛的使用，還對樹脂配方中的阻燃劑做了限定。

關(guān)于阻燃劑：

大多數(shù)材料，固相抑制法和氣相抑制法同時發(fā)生。

聚合物包含各種環(huán)氧樹脂，具有不同的可燃性，樹脂和固化劑類型會影響材料的基本可燃性，得出需要多少阻燃劑，以此確定材料的燃燒等級。

選擇阻燃劑需要考慮其對樹脂體系和基材產(chǎn)品性能的影響，有機(jī)磷系阻燃劑已成為PCB基材最常見的類型之一。

增強(qiáng)材料

增強(qiáng)材料有很多種，針對不同的產(chǎn)品需求會給添加不同的材料，以此來保證產(chǎn)品的性能。

下圖列出對應(yīng)材料的屬性和功能：

E玻璃和NE玻璃能夠很好地結(jié)合電氣、機(jī)械、化學(xué)性能，是PCB最常用的玻璃纖維。

玻璃布上涂敷偶聯(lián)劑（硅烷偶聯(lián)劑），用于增強(qiáng)玻璃纖維和樹脂之間的附著力，還有一個重要的作用就是抑制CAF的生長。

樹脂體系

我們所說的FR-4是環(huán)氧樹脂體系中的，F(xiàn)R-4代表的是什么？

FR代表阻燃，4代表環(huán)氧基數(shù)量。

環(huán)氧樹脂混合物包括環(huán)氧聚苯醚(PPO)，環(huán)氧氰酸酯等，提高環(huán)氧樹脂的電性能，一般會在低等級又有電性能指標(biāo)要求的材料中使用。當(dāng)然，也會有陶瓷-PTFE(鐵氟龍)共混使用。

上面樹脂體系的劃分，各種資料會有不同。這么多樹脂體系的選擇，都是為了某類產(chǎn)品或者追求一些性能，也會使用不同樹脂體系混合來達(dá)到要求，這也是最經(jīng)濟(jì)的解決之道。