原创 如何选择高速板材(上)

本文作者：一博科技  周伟

摘要：
      随着电子设计、通讯领域的高速发展以及云计算的应用，产品对数据量的要求越来越高，数据传输率也越来越快，同时也要求承载数据传输的PCB性能越来越高。板材的应用直接关系PCB及系统的稳定性、成本，需要我们对材料有全面的认识；本文从PCB构成，板材的大致分类及常规特性，影响高速性能的因素及仿真测试对比，最后以实例来阐述在工程应用中如何选择适合设计要求的高速板材。
 

关键词：
     高速板材，Dk，Df, 表面粗糙度，玻纤效应，仿真验证
 

 引言：
      当信号达到一定速率以上，在PCB上尤其是背板上需要走比较长的路径时，如果使用普通的板材可能已经满足不了要求，这个时候就必须要用低损耗的板材，我们又叫高速板材，到底什么是高速板材，高速板材关注哪些参数，以及什么时候需要使用高速板材？本文将围绕材料的参数以及影响高速性能的因素着手，以仿真和测试为手段全面解释我们在工程中该如何去选择高速板材，从而满足产品的最佳性价比。

1.  PCB板材及参数特性

      印刷电路板（PCB）是以铜箔基板( Copper-clad Laminate 简称CCL )作为原料而制造的电器或电子的重要机构组件。最基本的构成如下图1所示。

      如上图1所示为一个基本的4层板结构，大致由铜箔（Copper），半固化片（PP）和芯板（半成品，PP+铜箔）构成，经过一定的加工就形成了我们熟悉的PCB，如下图2所示。

1.1 PCB板材分类
      PCB种类繁多，按照不同的分类方法可以分成多种类型，最常见的有按照基板类型、玻纤类型、供应商树脂体系、损耗和阻燃级别来分，当然还有其他的分类，本文不做重点介绍。
      按照基板类型分成刚性基板和柔性基板，本文主要介绍的是刚性基板，如下图3所示。
      刚性基板：一般刚性基板材料的重要品种是覆铜板。它是用增强材料(Reinforeing Material)，浸以树脂胶黏剂，通过烘干、裁剪、叠合成坯料，覆上铜箔，用钢板作为模具，在热压机中经高温高压成形加工而制成的。
      柔性基板：柔性印刷电路板（Flexible Printed Circuit Board）是以聚酰亚胺或聚酯薄膜为基材制成的一种具有高度可靠性，绝佳的可挠性印刷电路。

按玻纤布类型分类有 106、1067、 1080、1078、2116、2113、3313、7628等；
按供应商所用树脂体系及其性能分类有如下种类：
      Rogers RO4003、RO3003、RO4350(PTFE)等
      Tuc 862、872SLK、872SLK-SP、TU883、TU933等
      Panasonic Megtron4/Megtron6等
      Isola FR408HR/408等
      ShengYi S1141/S1000-2等
按损耗级别分类：
      普通损耗板材、中损耗板材、低损耗板材、超低损耗板材等；
      低损耗及超低损耗板材我们通常就叫高速板材，是根据损耗的级别来划分的。
按阻燃性能分类：
     阻燃型（UL94-VO,UL94-V1) 和  非阻燃型（UL94-HB级）
按不同的铜箔分类：如下表1所示。

1.2、PCB需关注的材料参数
      不管是普通板材还是高速板材，我们都需要关注材料本身的一些特性，因为他们最终会影响PCB的性能及适用性。
      Dk & Df
      Dk即介电常数，又叫介质常数，介电系数或电容率，它是表示绝缘能力特性的一个系数，以字母ε表示，在工程应用中，介电常数时常在以相对介电常数的形式被表达，而不是绝对值。常见应用有计算阻抗和时延。

 公式1

                                        公式2
      Df又称损耗因子、阻尼因子或内耗(internal dissipation)或损耗角正切(loss tangent)，是材料在交变力场作用下应变与应力周期相位差角的正切，也等于该材料的损耗模量与储能模量之比。通常损耗与Dk&Df关系密切，如下为损耗的近似计算公式。
                                     公式3

      玻璃化转变温度（Tg)
      FR-4板的Tg值一般在130-140度，而在PCB制程中，有几个工序的问题会超过此范围，对制品的加工效果及最终状态会产生一定的影响。因此，提高Tg是提高FR-4耐热性的一个主要方法。其中一个重要手段就是提高固化体系的关联密度或在树脂配方中增加芳香基的含量。在一般FR-4树脂配方中，引入部分三官能团及多功能团的环氧树脂或是引入部分酚酫型环氧树脂，把Tg值提高到160-200度左右。如下图4为用DSC法测试的Tg值。

图4

      热膨胀系数（CTE）
      随着印制板精密化、多层化以及BGA,CSP等技术的发展，对覆铜板尺寸的稳定性提出了更高的要求。覆铜板的尺寸稳定性虽然和生产工艺有关，但主要还是取决于构成覆铜板的三种原材料：树脂、增强材料、铜箔。通常采取的方法是：
      （1）对树脂进行改性，如改性环氧树脂；（2）降低树脂的含量比例,但这样会降低基板的电绝缘性能和化学性能；铜箔对覆铜板的尺寸稳定性影响比较小。
      耐CAF性能
      离子迁移（Conductive Anodic Filament 简称CAF），最先是由贝尔实验室的研究人员于1955年发现的，它是指金属离子在电场的作用下在非金属介质中发生的电迁移化学反应，从而在电路的阳极、阴极间形成一个导电通道而导致电路短路。随着电子工业的飞速发展，电子产品轻、薄、短、小化，PCB的孔间距和线间距就会变的越来越小，线路也越来越细密，这样一来PCB的耐离子迁移性能就变得越来越重视。CAF主要发生在如下图5所示四种情况。

图5

       离子迁移对电子产品的危害
       1）电子产品信号变差，性能下降，可靠性下降。
       2）电子产品使用寿命缩短。
       3）能耗提高。
       4）绝缘破坏，可能出现短路而发生火灾安全问题。

      环保要求
欧盟RoHS指令：
    主要用于规范电子电气产品的材料及工艺标准，使之更加有利于人体健康及环境保护，该标准的目的在于消除电机电子产品中的铅(Pb)，镉(Cd)，汞(Hg)，六价铬(Cr6+)，多溴联苯(PBBs)和多溴联苯醚(PBDEs)共6项物质，并重点规定了铅的含量不能超过0.1%。
    该标准已于2006年7月1日开始正式实施。 
WEEE指令：
    报废的电子电气设备指令
欧盟REACH法规-No SVHCs
    是欧盟对进入其市场的所有化学品进行预防性管理的法规。已于2007年6月1日正式实施。
    如下图6所示为常见环保要求的标志。

图6