PCB 材料選擇是PCB 設(shè)計(jì)過程的第一步。為您的設(shè)計(jì)選擇合適的材料非常重要，因?yàn)樗鼤?huì)影響電路板的整體性能。

在選擇開始之前，有許多因素需要考慮。確保材料特性符合您的特定電路板要求和最終應(yīng)用。

我們?cè)谥圃?PCB 時(shí)面臨的主要問題之一是設(shè)計(jì)人員經(jīng)常過度依賴材料數(shù)據(jù)表。數(shù)據(jù)表為設(shè)計(jì)人員提供了材料電氣特性的全面描述。然而，當(dāng)考慮到各種現(xiàn)實(shí)世界的制造問題時(shí)，數(shù)據(jù)表不足，而現(xiàn)實(shí)世界的制造問題很重要，因?yàn)樗鼈儠?huì)影響產(chǎn)量和成本。

在這篇博文中，我們將重點(diǎn)關(guān)注以下幾點(diǎn)：

印刷電路板材料：

PCB材料：覆銅板

使用以下 3 項(xiàng)制造印刷電路板：

預(yù)浸料：B 階段材料，具有粘性并允許粘合不同的層壓板或箔。

銅箔：PCB 上的導(dǎo)電跡線。

覆銅板（芯材）：由預(yù)浸料和銅箔層壓并固化而成。

PCB 材料：箔、芯和預(yù)浸料

如何選擇PCB層壓板？

PCB層壓板由介電材料制成。在選擇 PCB 層壓板時(shí)，我們需要考慮所用介電材料的一些關(guān)鍵特性。這些屬性包括：

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 (Tg)：隨著聚合物鏈變得更易移動(dòng)，PCB 基板從玻璃態(tài)、剛性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檐浕?、可變形狀態(tài)的溫度。Tg 以攝氏度 (oC) 為單位表示。

分解溫度 (Td)：材料發(fā)生化學(xué)分解的溫度。SI 單位：攝氏度。

熱導(dǎo)率 (k)：材料導(dǎo)熱的特性；低熱導(dǎo)率意味著低熱傳遞，而高導(dǎo)率意味著高熱傳遞。SI 單位：瓦特/米開爾文。

熱膨脹系數(shù) (CTE)：PCB 材料加熱時(shí)的膨脹率。CTE 以每加熱攝氏度時(shí)膨脹的百萬分之幾 (ppm) 表示。SI 單位：PPM/°C。

當(dāng)材料的溫度上升到超過 Tg 時(shí)，CTE 也會(huì)上升。

基板的 CTE 通常遠(yuǎn)高于銅，這會(huì)在 PCB 加熱時(shí)導(dǎo)致互連問題。

X 軸和 Y 軸的 CTE 通常較低——每攝氏度約 10 至 20 ppm。這通常要?dú)w功于在 X 和 Y 方向上約束材料的編織玻璃，即使材料的溫度升高到 Tg 以上，CTE 也不會(huì)發(fā)生太大變化。所以材料必須在 Z 方向膨脹。

沿 Z 軸的 CTE 應(yīng)盡可能低；目標(biāo)是每攝氏度低于 70 ppm，隨著材料超過 Tg，這將增加。

材料的膨脹是通過熱膨脹系數(shù) (CTE) 來衡量的。此圖顯示 Z 方向的 CTE。要了解有關(guān) PCB 材料熱考慮的更多信息，請(qǐng)閱讀我們的文章什么是 PCB 裝配中的熱分析

介電常數(shù) (Dk) 或相對(duì)磁導(dǎo)率 (Er)：材料的介電常數(shù)與自由空間（即真空）的介電常數(shù)之比。它也稱為相對(duì)滲透率。

數(shù)據(jù)表適用于材料中特定（通常為 50%）的樹脂含量百分比。芯材或預(yù)浸料中的實(shí)際樹脂百分比因成分而異，因此 Dk 會(huì)發(fā)生變化。銅的百分比和壓出的預(yù)浸料厚度將最終決定介質(zhì)高度。

大多數(shù)使用的 PCB 材料的 Er 在 2.5 和 4.5 之間的范圍內(nèi)。在特定的微波應(yīng)用中，也使用具有較高 Er 值的材料。它通常隨著頻率的增加而減少。

損耗角正切 (tanδ) 或損耗因數(shù) (Df)：損耗角正切或損耗因數(shù)是電介質(zhì)中電阻電流和無功電流之間相角的正切。介電損耗隨著 Df 值的增加而增加。Df 值低導(dǎo)致“快”底物，而大值導(dǎo)致“慢”底物。Df 隨頻率略有增加；對(duì)于 Df 值非常低的高頻材料，它隨頻率的變化非常小。值范圍從 0.001 到 0.030。

信號(hào)損耗和工作頻率

信號(hào)損耗包括介質(zhì)損耗和銅損耗。 

介電損耗作為總信號(hào)損耗的一部分：介電材料由極化分子組成。這些分子在信號(hào)軌跡上隨時(shí)間變化的信號(hào)產(chǎn)生的電場(chǎng)中振動(dòng)。這會(huì)加熱介電材料并導(dǎo)致介電損耗作為信號(hào)損耗的一部分。信號(hào)損失隨頻率增加。通過使用具有較低耗散因數(shù)的材料，可以將這種損失降至最低。要了解 PCB 走線上的信號(hào)性能，請(qǐng)閱讀有關(guān) PCB 中信號(hào)的傳播延遲。

銅損作為總信號(hào)損失的一部分：由于信號(hào)走線和適用的返回路徑的交流電阻而產(chǎn)生銅損。由于趨膚效應(yīng)，它隨著頻率的增加而增加。銅箔-電介質(zhì)齒形界面輪廓增加了有效長(zhǎng)度，從而增加了銅損。可以通過在非常高的頻率下使用低剖面和非常低剖面的箔來減少銅損。

信號(hào)損耗與工作頻率之間的相關(guān)性。

信號(hào)損耗與工作頻率之間的相關(guān)性

正如您在上圖中所看到的，信號(hào)損失或衰減隨著頻率的增加而增加。同時(shí)，我們還可以看到某些材料的損耗比其他材料低。該圖顯示了哪種材料在更高的速度下可能具有更好的電氣性能。

PCB材料類別

正常速度和正常損耗：這些是最常見的 PCB 材料——FR-4 系列。它們的介電常數(shù) (Dk) 與頻率響應(yīng)的關(guān)系不是很平坦，并且具有更高的介電損耗。它們適用于高達(dá)2GHz 的應(yīng)用。這種材料的一個(gè)例子是 Isola 370HR。

中速和中損耗：中速材料具有更平坦的 Dk 與頻率響應(yīng)曲線，介電損耗約為正常速度材料的一半。這些適用于高達(dá)2GHz 的應(yīng)用。這種材料的一個(gè)例子是 Nelco N7000-2 HT。

高速和低損耗：這些材料還具有更平坦的 Dk 與頻率響應(yīng)曲線和低介電損耗。與其他材料相比，它們產(chǎn)生的有害電噪聲也更少。這些適用于高達(dá)20GHz 的應(yīng)用。這種材料的一個(gè)例子是 Isola I-Speed。

非常高的速度和非常低的損耗（射頻/微波）：用于射頻/微波應(yīng)用的材料具有最平坦的 Dk 與頻率響應(yīng)和最小的介電損耗。它們適用于高達(dá)60GHz 的應(yīng)用。這種材料的一個(gè)例子是 Isola Tachyon 100G。

PCB材料類別對(duì)比 10GHz 時(shí)的損耗角正切

銅箔選擇

銅箔的選擇取決于以下幾點(diǎn)：

• 銅材特性

• 銅箔種類

銅材料特性：

銅厚度：典型厚度從 0.25 盎司（0.3 密耳）到 5 盎司（7 密耳）不等。

銅純度：它是銅箔中銅的百分比。電子級(jí)銅箔純度在99.7%左右。

銅電介質(zhì)界面輪廓：低輪廓在高頻下具有較低的信號(hào)銅損。

低剖面銅箔：這種類型的銅箔用于低損耗高頻應(yīng)用。

銅箔種類：

電鍍銅：一種用于生產(chǎn)剛性 PCB 的銅。

壓延銅：一種銅，通過在重輥之間加工制成非常薄，廣泛用于生產(chǎn)柔性 PCB 和剛?cè)峤Y(jié)合 PCB。

要了解有關(guān)剛?cè)峤Y(jié)合 PCB 的更多信息，請(qǐng)閱讀我們的文章剛?cè)峤Y(jié)合可降低電子產(chǎn)品組裝成本。

低剖面銅箔：這種類型的銅箔用于低損耗高頻應(yīng)用。

PCB材料選擇最佳實(shí)踐

具有相似 Dk 的材料：確?；逵删哂邢嗨平殡姵?shù) (Dk) 的材料制成。

熱膨脹匹配系數(shù) (CTE)：CTE 是基板最關(guān)鍵的熱特性。如果基板的組件具有不同的 CTE，它們可能會(huì)在制造過程中以不同的速率膨脹。 

為極高頻/高速應(yīng)用選擇更平坦和更緊密的基材編織：Dk 分布將是均勻的。

避免在高頻應(yīng)用中使用 FR4：這是由于其高介電損耗和更陡峭的 Dk 與頻率響應(yīng)曲線。

使用吸濕性較低的材料：吸濕性是 PCB 材料（在這種情況下為銅）浸入水中時(shí)抵抗吸水的能力。它是由 PCB 材料因吸水而增加的重量引起的。百分比范圍從 0.01% 到 0.20%。閱讀有關(guān)我們?nèi)绾沃圃焓芸刈杩?PCB的帖子。

Sierra Circuits的首選材料

高速網(wǎng)絡(luò)推動(dòng)材料選擇

思科系統(tǒng)公司和其他高速網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商已經(jīng)開發(fā)了極其嚴(yán)格的內(nèi)部程序和標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試工具，以確保材料能夠承受比制造過程中遇到的更嚴(yán)酷的條件。這些都是很高的障礙。如果價(jià)格合適，通過的材料也將成為其他各種高速數(shù)字應(yīng)用的主要候選材料。

Isola 代表指出了兩種層壓板，其中第二種層壓板是在 2014 年 6 月下旬剛剛推出的，分別是 Tachyon 和 Tachyon-100G，他們推薦用于構(gòu)建路由器背板、線卡和其他超高速數(shù)字應(yīng)用的 PCB。兩種層壓板具有相同的電氣特性，包括 0.002 的 Df 和 3.02 的 Dk，在 40 GHz 內(nèi)保持不變。

Tachyon-100G 被引入以針對(duì)超高速線卡（100-Gb/s 以太網(wǎng)），因?yàn)樗哂袩岱€(wěn)定性，特別是在 Z 軸上具有非常低的膨脹系數(shù)，非常適合它，尤其是對(duì)于此類高層-計(jì)數(shù)結(jié)構(gòu)。這兩種材料都使用擴(kuò)散玻璃和非常薄的銅箔（2 μm Rz 表面粗糙度），以幫助最大限度地減少編織引起的差分偏斜，縮短信號(hào)上升時(shí)間并減少抖動(dòng)和符號(hào)間干擾。這些材料具有多種預(yù)浸料和芯厚度，并以與典型 FR-4 層壓板相同的方式進(jìn)行加工。它們可以用作混合 FR-4 構(gòu)建中的核心或預(yù)浸料。

任何具有上述介電和熱性能的材料都是 PCB 制造商的層壓板目錄中受歡迎的補(bǔ)充，特別是因?yàn)樗鼈儾簧婕凹庸せ?PTFE 的材料所固有的復(fù)雜性。我將在不久的將來提供與其他層壓板的比較。

關(guān)鍵制造考慮因素

因此，接下來，讓我們討論處理混合 PCB 堆疊時(shí)的關(guān)鍵制造考慮因素。首先，確保您的混合疊層中的所有材料都與您的層壓周期兼容。有些材料在層壓過程中需要比其他材料更高的溫度和壓力。在提交設(shè)計(jì)之前，請(qǐng)檢查您的材料數(shù)據(jù)表以確認(rèn)正在使用兼容的材料。

混合疊層的第二個(gè)考慮因素是正確鉆孔的鉆孔參數(shù)。鉆頭的進(jìn)給和速度因堆疊中的材料而異。如果您有一個(gè)純結(jié)構(gòu)的堆疊，這意味著它們都是相同的材料，而不是混合結(jié)構(gòu)，則必須調(diào)整進(jìn)給和速度。例如，某些設(shè)置會(huì)產(chǎn)生大量熱量，如果材料無法承受熱量，則可能會(huì)發(fā)生一些變形。您還應(yīng)該考慮到不同材料的鉆孔方式不同。例如，Rogers 會(huì)更快地磨損鉆頭，從而影響成本。

后鉆孔和CUPOSIT之前，有孔壁的準(zhǔn)備。不同的材料需要不同的等離子體。制造商之間的一個(gè)骯臟的小秘密是，并非所有人都根據(jù)材料改進(jìn)我們的流程。每個(gè)一般類別可以有工藝指南，但為了絕對(duì)的可靠性和準(zhǔn)時(shí)交貨，制造商應(yīng)該改進(jìn)每種材料的工藝。

在您返回設(shè)計(jì)之前，請(qǐng)參加我們的PCB 材料測(cè)驗(yàn)！

材料選擇對(duì)于所有 PCB 設(shè)計(jì)都很重要。在選擇HDI PCB 材料時(shí)，這一點(diǎn)尤其重要， 因?yàn)檫€有其他制造限制在起作用。目標(biāo)始終是為可制造性選擇合適的材料，同時(shí)滿足您的溫度和電氣要求。為了幫助您確定哪種材料最適合您的設(shè)計(jì)需求，Sierra Circuits 的材料選擇器提供了具有最重要特性的材料列表。

要了解有關(guān) PCB 材料選擇的更多信息，請(qǐng)觀看我們的網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)PCB 材料選擇：電氣和制造注意事項(xiàng)。