PCB設計覆銅板選材介紹

一、PCB板材主要參數介紹

1．1．介電常數（Dk）Dieletric Constant

表徵介質材料的介電性質或極化性質的物理參數，其值等於以欲測材料為介質與以真空為介質製成的同尺寸電容器電容量之比，該值也是材料貯電能力的表徵。

介電常數大表示訊號線中的傳輸能量就會有不少被儲存在板材中，將造成「訊號完整性」的品質不佳，與傳播速率的減慢，故材質的介電常數越低其訊號傳輸的品質越好。

1．2． 散失因數（Df）Disspation Factor

即為訊號線中已漏失到絕緣板材中的能量與尚存在險種能量的比值，也稱之為損失因數、介質損失或損失正切等

1．3． 玻璃態轉化溫度Tg（Glass Transition Temperature）

聚合物會隨溫度的升降而發生其物性變化，當在常溫時通常會呈現一種非結晶無定形態的脆硬玻璃狀固體，當在高溫時卻將轉變成一種如同橡膠狀的彈性固體，這種有常溫「玻璃態」轉變成「橡膠態」的過程中的溫度過度區域，被稱之為「玻璃態轉化溫度」。

在橡膠態時的熱膨脹係數將會是玻璃態時的熱膨脹係數的3到4倍。

1．4． 熱膨脹係數CTE（Coefficent of thermal Expansion）

覆銅板中在X、Y方向上因受到玻璃布的牽制，其CTE值不大，一般在20ppm／℃以下；而在Z方向上沒有牽制，其CTE將增大到55－60ppm／℃．

1．5． 熱裂解溫度Td

也稱之為分解溫度或層壓分離溫度，其定義為材料重量損失5％時的溫度，以熱重分析法將數值加熱，一直到材料重量損失5％時的溫度即為熱裂解溫度。

1．6． 耐熱裂解時間（T260、T288、T300）

指以TMA法將材料分別加熱到260℃、288℃、300 ℃固定溫度時，觀察在此熱環境中，Z方向能抵抗熱膨脹而不會裂開的時間。

1．7． 耐離子遷移CAF性能

PCB等電極間由於吸溼和結露等作用吸附水分後加入電場時，金屬離子從一個金屬電極向另一個電極移動、析出金屬和化合物的現象稱之為離子遷移。

出現離子遷移時將會導致導線間的短路，嚴重影響產品性能與可靠性。

1．8． 剝離強度

也叫抗撕強度，銅箔對基材板的附著力，常以每mm寬度銅箔垂直撕起時所需的力來表示。

1．9． 吸溼率（WaterAbsorption）

指材料之吸溼程度，愈大愈不好。吸水不但會降低板材的絕緣性﹐還將使得訊號傳播的速度變慢。

二、不同使用溫度對板材的要求

2．1． PCB材料常用樹脂類型：

A． FR－4材料，環氧樹脂類型：

B． PI材料：聚醯亞胺材料

C． PTFE材料：聚四氟乙烯材料

D． BT樹脂材料：雙馬來醯亞胺三嗪樹脂

樹脂材料本身使用溫度範圍：

樹脂類型

環氧樹脂

PI樹脂

PTFE樹脂

BT樹脂

工作溫度

130度以下

260度以下

250度以下

230度以下

 FR－4材料：環氧樹脂，屬熱固性聚合材料，最高使用溫度為 204℃；數據引自《電氣電子絕緣技術手冊》P．451；實際使用溫度由產品的耐熱等級決定：如環氧層壓玻璃布板（型號：9320、上3242等）耐熱等級為 F （即155℃），覆銅環氧樹脂玻璃布板（型號：CEPGC—31CEPGC—32F）耐熱等級為 B （即130℃），數據引自《最新常用電氣產品目錄》下冊，P．2312～2314 。

PI材料：聚醯亞胺，是一種新型耐高溫熱固性工程塑料，由於其在－270－400℃的大範圍溫度內能保持較高的物理機械性能，同時可在－240－260℃的空氣中長期使用，並具有優異的電絕緣性、耐磨性、抗高溫輻射性能和物理機械性能。

 PTFE材料：聚四氟乙烯，簡寫為teflon，使用溫度 －190～250℃，允許驟冷驟熱，或冷熱交替操作。

BT材料：雙馬來醯亞胺三嗪樹脂，固化成形後具有以下特性：

l  優異的耐熱性tg：200～300℃，長期耐熱溫度：160～230℃。

l  低介電常數ε＝2．18～3．15（1MHz）、低介電損耗tanδ＝1．15×10－3～3．10×10－3（1MHz）。

l  高耐金屬離子遷移性，吸溼後仍保持優良的絕緣性。

l  有優良的機械加工特性、耐藥品性、耐放射性、耐磨性以及尺寸穩定性。

2．2．溫度的變化會導致PCB性能失效，其主要體現在以下方面：

A． 溫度高導致分層

B．溫度高導致孔銅斷裂而出現開路

高溫是否容易導致板材分層主要看材料以下幾個參數指標：

l  Td：Td越高越不容易在高溫時出現分層，其耐熱性能越好

l  T260／T288／T300：其時間越長表明其耐熱性能越好，也就越不容易分層

高溫是否容易導致孔銅斷裂開路主要看材料以下幾個參數指標：

l  Z－CTE：越小高溫時越不容斷裂

l  Tg值：其越高在高溫時越不容易斷裂

2．3． 熱膨脹CTE

2．3．1．  а1－CTE：Tg前熱膨脹係數

2．3．2．  а2－CTE：Tg後熱膨脹係數

2．3．3． （50－260 ℃）－CTE：50到260度之間的平均熱漲係數

PCB在X．Y．方向受到有玻纖布的鉗制，以致CTE不大，約在12－15ppm／℃左右。但板厚Z方向在無拘束下（Tg前）將擴大為55－60ppm／℃（TG後，約為TG前的5－6倍），而PCB通孔及焊墊中銅的CTE約為16－18ppm／℃．

2．4． 設計材料選擇條件

材料本身樹脂的使用溫度需高於PCB板使用溫度

由材料的CTE特性看，材料的Tg值必須大於PCB使用溫度，保證Z－CTE的熱膨脹在Tg前，且需選擇Z－CTE足夠小的材料

由材料本身看，選擇Td足夠大，越大耐高溫性能越好

由材料本身看，選擇T260／T288／T300足夠大的材料，越大耐高溫性能越好

2．5．不同材料特性一覽表（一）

三、不同使用頻率下對PCB材料的要求

3．1．高頻信號傳輸對介質材料的要求

信號傳播損失小（具有低介電常數、低介質損耗因子）、信號傳輸速度高、在介電特性方面受到頻率、溫度、溼度變化下而表現出的高穩定性等內容。

須要考慮到它在高頻電路PCB上的信號傳播損失的特性。1GHZ以上領域內還會存在著由於「肌膚效應」問題，造成的導體損失。

在基板材料上、在PCB製造上、在組裝上由於存在著微小偏差（特別是在層間厚度、介電常數、導體厚度、導體寬度四個方面的偏差），就會造成基板材料的特性阻抗的不整合，出現反射、衰減量的增大

3．2．信號工作頻率不同對板材要求不同

工作在1GHz以下的PCB可以選用FR4，成本低、多層壓制板工藝成熟。如信號入出阻抗較低（50歐姆），在布線時需要嚴格考慮傳輸線特性阻抗和線間耦合，缺點是不同廠家以及不同批生產的FR4板材摻雜不同，介電常數不同（4．2－5．4）且不穩定。

1G以上3GHz以下的小信號微波收發信機，可以選用改性環氧樹脂材料，由於其介電常數在10GHz時比較穩定、成本較低、多層壓制板工藝與FR4相同。

3GHz以上的大信號微波電路如功率放大器和低噪聲放大器建議選用類似RO4350的雙面板材，RO4350介電常數相當穩定、損耗因子較低、耐熱特性好、加工工藝與FR4相當。其板材成本高於FR4。

10GHz以上的微波電路如功率放大器、低噪聲放大器、上下變頻器等對板材要求更高，建議採用PTFE。

3．3．常用高頻材料特性一覽表（一）