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全面认识高多层PCB板材
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大家可能在餐饮、银行等场所见过有问题的LED灯板,要么不显示信息,要么频繁闪烁。为什么LED灯板会出现问题?原因之一可能是其所用的PCB的板材质量有问题。板材作为PCB产品的基础,不仅是其核心主要原材料,而且占PCB成本的60%左右。由此可见,板材的重要性不言而喻。所谓,好食材才能做出好食物。好板材才能保证好板子。因此,做PCB,选好板材是关键。

做高多层PCB,板材是关键

尤其是高多层PCB。因其集成度高、尺寸小、信号完整性优良以及出色的热管理能力,广泛应用于消费电子、通讯设备、汽车电子、工业控制与自动化、医疗设备、航空航天和能源设备等多个领域。

以汽车电子领域为例。随着汽车电子技术的快速发展,高多层PCB在汽车行业中的应用越来越广泛。其高密度布局和可靠性能满足汽车电子对于小型化、高可靠性和环境适应性的需求。所以,高多层PCB被应用于车载娱乐系统、驾驶辅助系统、发动机控制单元和安全系统等。

与单层或双层PCB相比,高多层PCB面临着更高的复杂性和性能挑战。这主要体现在三方面:一是高频信号传输特性要求。高多层PCB常用于需要高频信号传输的应用,如通信设备和高速数字信号处理。这要求PCB必须有更好的介电性能和信号传输速度,以减少信号损耗和噪音。

二是热管理需求。高多层PCB通常用于高功率电子设备,需要有效的热管理措施保证元件正常工作温度。这就要求PCB有更好的导热性能和热膨胀系数控制,以优化热传导和分布,避免热点和热应力问题。

三是机械强度和稳定性要求。高多层PCB通常有着较大的尺寸和较高的层数,因此需要更高的机械强度和稳定性。板材的刚性和耐久性对于抵抗振动、冲击和弯曲应力至关重要,以确保高多层PCB的可靠性和寿命。

由此可见,高多层PCB对板材的要求更高,包括在高频信号传输、热管理和机械强度稳定性等方面的特殊需求。

高多层PCB板材的分类

覆铜板(CCL-Copper Clad Laminate),在PCB多层板生产中也称为芯板(CORE),是高多层PCB的关键原材料。它是由铜箔、树脂、玻璃纤维布和其他功能性增强添加物组成的。通过将增强材料浸入树脂,并在一面或两面贴上铜箔,经过热压处理形成板状材料,这就是我们所说的覆铜箔层压板。在分类上,板材可根据材质、成品的软硬度、结构和等级等不同维度进行区分。

具体来说,板材可以分为有机材质和无机材质两大类。

根据成品的软硬度,板材分为硬板、软板和软硬结合板。硬板是最常见的类型,用于大多数标准电子设备;软板灵活性高,适用于需要弯曲的应用场景;软硬结合板结合了硬板的稳定性和软板的灵活性,适用于复杂的电子产品设计。

在结构上,板材可分为单面板、双面板、多层板和HDI(高密度互连板,特点是盲埋孔技术)。单面板只有一面带有导电路径,双面板的两面都布有电路;多层板通过多层导电图层增加电路密度;HDI板则通过盲埋孔技术实现更高的线路密度和更小的电子设备尺寸。

按照板材等级划分,PCB板材包括94HB(最低阻燃等级)、94V0(更高的阻燃性能)等。其中,94V0级别下,又细分为FR1、22F、CEM-1、CEM-3和FR-4等材料类型。FR1主要用于单面板;22F常用于成本敏感型产品;CEM-1和CEM-3适用于双面板应用;FR-4则因其优良的电气绝缘性能、高机械强度和良好的湿热稳定性,广泛应用于多层板制造。

如果按照基板的增强材料不同,还可分为五大类:纸基、玻璃纤维布基、复合基(CM系列)、积层多层板基和特殊材料基(陶瓷、金属芯基等)。

这里,尤其要说一下FR4。

它是一种常见的玻璃纤维增强环氧树脂基板材料,具备优异的电绝缘性能、良好的机械强度与刚性、耐高温特性和易于加工的优点。同时,相比其他材料,FR4更为经济。目前,采用FR4材料的PCB是当前全球产量最大、使用最多的一类PCB。在讨论高多层PCB时,我们主要关注使用FR4材料的产品。

板材选型的内在因素

在PCB下单时,您可能会遇到所需板材缺货的情况。这时,选择具有相同性能等级的替代材料就显得尤为重要。高多层PCB的板材选择不仅受到材料本身和内在特性的影响,还包括外部因素。内部因素涵盖一系列重要的考量,如外观要求、尺寸标准、电气性能、热性能和物理(机械)性能等。

其中,外观要求,包括金属箔面的凹痕、皱折、划痕、气泡等缺陷,这些都可能影响最终产品的质量和性能。尺寸要求涉及板材的长度、宽度、对角线偏差、翘曲度等,精确的尺寸对于保证PCB的装配精度和性能至关重要。

接下来,我们重点介绍下电气性能、热性能和物理(机械)性能。

电气性能

电气性能有介电常数(Dk)、介质损耗角正切(DF)、体积电阻、表面电阻、绝缘电阻、耐电弧性、击穿电压、电气强度和相对漏电起痕指数(CTI)。

其中,介电常数(Dk)、介质损耗角正切(DF),和相对漏电起痕指数(CTI)是在选择PCB板材时,用户最为关心的电气性能参数。

介电常数,即Dk,英文全称Dielectric constant。它是描述材料存储电荷能力的物理属性,对电容器性能和电场分布有着显著影响。具有高介电常数的材料能够存储更多的电荷,这对于需要高电容性能的应用尤为重要。此外,介电常数还决定了电场在介质中的传播速度和集中程度。举例来说,FR4板材的介电常数一般在4.2到4.6之间,而铁氟龙介电常数在2.0到3.0范围内,绿油介电常数则位于3.4到3.8之间。

某厂商的产品技术资料

介质损耗角正切,即DF,英文全称Dissipationfactor,或称为损耗因子,是描述介质材料在交流电场中能量损失的重要物理参数。它反映了材料中电场能量损失与储存能量之比,与材料的分子结构、化学组成和温度等因素紧密相关。在电子器件和电路设计中,DF是关键参数,直接影响信号的带宽、衰减和相位失真,尤其在高频电路和通信系统中至关重要。选择低DF值的材料可以显著减少信号损失并保持良好的信号完整性,例如,像天线板一般选用PTFE这种低损耗的材料。

相对漏电起痕指数(CTI)同样非常重要,它是衡量绝缘材料在电弧作用下的抗电击穿能力。CTI是评估材料耐电弧性能的关键参数,对确定材料的安全性和可靠性在特定环境条件下尤为关键。CTI值的高低通常以标准化分类表示,数值越高,材料的电弧性能越好。

某厂商的产品技术资料

CTI值的高低直接关联到材料的绝缘性能和耐电弧能力,其中更高的CTI值意味着材料能在更高电压下维持其绝缘性,展现出更佳的耐电弧性能。这一特性对于电气设备和电子产品来说至关重要,因为它保证了在电弧事件发生时,材料能提供充分的保护,从而大幅降低发生火灾和其他意外事故的风险。因此,在设计和选择电子材料时,高CTI值的材料往往被优先考虑,以确保整个系统的安全和可靠性。

CTI测试等级判定标准

通常,CTI值以标准化的分类进行表述,其中数值越高,表示材料具有更好的电弧性能。目前,嘉立创所有材料CTI均是3级,范围在175-249V之间。

热性能

热性能主要有Tg值、Td值、CTE、热应力、燃烧性等。

Tg值,又叫玻璃化转变温度,是衡量PCB板材热性能的关键指标之一。它标志着材料(如PCB板材)随着温度升高,从硬而脆的玻璃态转变到柔软的橡胶态的临界点。在PCB制造领域,这种玻璃态物质通常指的是构成介质层的树脂或树脂与玻纤布的混合物。

某厂商的产品技术资料

Tg值对PCB的可靠性和性能有着重大影响。当PCB在其操作温度范围内工作时,保持材料处于玻璃态是非常重要的,可以确保电路板的机械和电气性能稳定。如果PCB在使用过程中超过了其Tg值,那么板材可能会变软,导致尺寸稳定性下降,甚至可能影响到导线和焊点的完整性,从而降低整个电路板的性能和可靠性。

常用普通板材的Tg要求大于135℃,中Tg要求大于150℃,高Tg要求大于170℃。Tg越高,板材的耐热性、尺寸稳定性越好。

Td值,即热分解温度,英文全称Thermal Decomposition Temperature。它是指在高温条件下,材料开始发生化学分解的温度。这是衡量板材在高温环境下热稳定性和耐高温性能的重要指标。在高功率或高温度条件下工作的电子设备中,PCB板材若具有较高的Td值,则意味着它能够在不分解或损失性能的情况下,更好地承受这些条件,确保电路的长期稳定运行。

某厂商的产品技术资料

Td值越高,意味着板材通常可以承受更高的温度和热应力,保持电路的正常功能并延长设备的使用寿命。

CTE,即热膨胀系数,英文全称Coefficient of Thermal Expansion。它用于描述PCB板材在温度变化下的尺寸变化情况。温度每升高一度,材料就会相应地膨胀或在冷却时收缩。由于PCB板材通常由树脂、铜箔和玻璃纤维增强材料等多种材料组成,这些材料的CTE值各不相同,导致温度变化时它们的膨胀或收缩速度不一致。这种不匹配的热膨胀行为可能会引起板材的尺寸不稳定、应力集中,甚至在焊接等后续加工过程中出现问题。

某厂商的产品技术资料

CTE值越低,尺寸稳定性越好,反之越差。

物理(机械)性能

在物理机械性能方面,PCB板材的质量和适用性受多种因素影响,包括铜箔剥离强度、抗弯强度、吸水率、可燃性等。

此外,CAF也尤为重要。CAF现象,又称为灯芯效应,全称Conductive Anodic Filament。它指的是,在高温、高湿、高压等条件下,产品经过长期使用,板材的玻璃纤维作为通道,导致孔壁的铜箔生长形成细长的导电丝状物,这些丝状物最终可能在相邻孔之间形成短路或微短现象。更加棘手的是,当PCB产品经过重新烘烤后,这种故障可能暂时消失,使得问题难以被立即识别和解决。导致CAF发生的原因有多种多样,包括材料、钻孔、电镀、资料设计(孔间距小于IPC2级标准)。根据IPC-A-600J标准中的3.3.4条款,芯吸图示如下:

板材选型的外在因素

在选择PCB板材时,除了考虑材料的内在特性之外,外部因素也扮演着重要的角色,这包括法律法规、成本、交期、以及板材品牌等。

在法律法规方面,欧盟RoHS指令、WEEE指令和欧盟REACH法规-No SVHCs 值得关注。

RoHS指令目的是限制和控制电子和电气设备中使用的有害物质,从而减少这些物质对环境和人类健康的潜在危害。


RoHS认证标志

它限制了在电子和电气设备中使用的六种有害物质,即铅(0.1%)、汞(0.1%)、镉(最大允许含量0.01%)、六价铬(0.1%)、多溴联苯(PBB)(0.1%)和多溴二苯醚(PBDE)(最大允许含量0.1%),并要求电子产品和组件中这些有害物质的含量不能超过特定的限制值。

该法规已于2006年7月1日正式实施。此后,欧盟又要求新增4项邻苯二甲酸酯的限制用量:邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯 (DEHP) (0.1%)、邻苯二甲酸丁酯苯甲酯 (BBP) (0.1%)、邻苯二甲酸二丁酯 (DBP) (0.1%)、邻苯二甲酸二异丁酯 (DIBP) (0.1%)。

WEEE icon

同时,欧盟通过WEEE指令,促进废弃电子电气设备的回收和再生,减少废弃物对环境的影响。

欧盟REACH法规-No SVHCs 则是欧盟制定的一项化学品管理法规,主要关注化学物质对环境和人体健康的潜在影响,特别是那些被认为是极高关注物质(SVHCs)的化学品。。它要求企业对其生产、进口和使用的化学物质进行注册、评估和授权。

该法规对PCB板材所使用的化学物质提出了要求。供应商必须向欧洲化学品管理局(ECHA)注册其所生产或进口的化学物质。此外,一些特定的有害物质可能会受到限制或需要经过授权才能使用。

为了让大家更好地查阅欧盟RoHS指令、WEEE指令和欧盟REACH法规-No SVHCs,附上三个法规的中文版(出自商务部“出口商品技术指南”):

欧盟新RoHS指令(2018版)

欧盟WEEE指令(2019版)

欧盟REACH法规(2021版)

UL认证和板材品牌

值得一提的是UL认证。它相当于PCB板材的学历认证。UL认证是由全球检测认证机构、标准开发机构美国UL有限责任公司创立。作为一个独立的第三方认证机构,专门负责对各种产品的安全性和符合性进行评估。

UL认证覆盖的范围广泛,对于PCB板材而言,它包含电气安全、燃烧特性、环境适应性等多个维度的评估。拥有UL标志的PCB板材,表明其已经经过严格的测试和评估,符合特定的UL安全标准。这对于需要确保电子产品在全球市场上满足最高安全和性能标准的制造商来说尤其重要。

嘉立创已通过UL认证,编号为E479892,这意味着嘉立创产品符合国际安全标准,并满足客户和市场的需求。

如果不想细究,从板材品牌入手同样是一种方式。常见板材品牌有建滔集团、生益科技、南亚塑胶、联茂电子、金安国纪、台燿科技、南亚新材、斗山电子、昭和电工、浙江华正新材料、航宇、宏瑞兴、腾辉电子、超声电子、长春塑料、AGC、住友电木株式会社、长兴、广东超华科技、常州中英科技、罗杰斯等。

CCL供应商市场份额(2021)

嘉立创,6层板使用建滔和中国南亚板材,品质高,有保障。因为建滔板材使用高质量的玻璃纤维增强环氧树脂(FR-4)作为基材,用高纯度的铜箔作为导电层,且经过严格的工艺处理,因此具有质量高、性能好的特点,被广泛应用于电子行业。而中国台湾南亚同样在市场上有不小的知名度,其提供的板料不仅具有良好的电气性能、较高的强度和刚性,而且耐高温、耐化学性能,能提高产品的可靠性和寿命。

针对8层板和更高层,嘉立创使用中国台湾南亚和生益板料。其中,作为国内知名的覆铜板供应商,生益板料具有高标准、高品质、高性能、高可靠性的特点,行业认可度高,广泛应用于工业控制、医疗仪表/器械、消费电子、汽车等电子产品中。

在嘉立创,当你下单时,系统有一个板材选项,用户可以选择指定板材品牌及其型号,还能快速了解其Tg值和阻燃性。

嘉立创高多层PCB下单-板材选项

如上图所示,列出的四个选项均是采用真A级板材。真A级意味着没有偷布,填料30%左右,阻燃板材。如果达不到这三点,那就是“假A级”板材。同时,我们还可以看到,嘉立创采用的板材均是94V0,即最高的阻燃等级。

根据IPC-4101C的规定,当试样按表3-1和UL94检验时,燃烧等级应符合规格单和表3-9的要求。供选条件、24h对于本规范所述的材料是可以接受的。如果相关规格单种规定为不适用、不要求或由供需双方商定,在鉴定过程中,该材料必须进行燃烧性试验,并将结果记录。若规格单显示燃烧机理为“溴,符合RoHS”,意思是溴阻燃剂是符合欧盟RoHS法规要求的。

表3-9 燃烧性要求

此外,当你在打样前,还能免费使用嘉立创板材质量检测服务,提前规避板材隐患,为产品保驾护航。

嘉立创板材检测服务

检测服务面向所有注册用户免费开放,可检测任何PCB供应商的产品。

当然,高多层PCB的板材选择取决于很多因素,比如成本、板材的Dk和Df值、法律法规要求等。有网友表示:“板材选择考虑很多因素。首先,要匹配产品的性能,如电气性能。(焊接和工作)温度、电气 性能、结构强度和电路密度以及信号工作频率的不同对板材的要求也不同。其次,可制造性,比如多次压合性能、耐CAF、耐热性、机械韧性、防火等级、Tg、Dk、Df、热膨胀系数、材料厚度及胶含量公差小。第三,交期、价格、量产成本(特别是消费类电子产品注重降低PCB成本)以及板材品牌。除军工类产品,产品性能优先,价格次要之外,选择PCB板材必须在满足设计需求、可量产性和成本间取得平衡。第四,法律法规的适用性,如欧盟的RoHS指令。最终,高多层PCB板材选型要具体项目具体分析,如果需要更准确的选择,可以利用仿真评估或测试验证手段。

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