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PCB相關(guān)知識(shí)總結(jié)

2022/08/16
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PCB相關(guān)基礎(chǔ)性的知識(shí),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(huì)制定了一個(gè)對(duì)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(gè)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(huì)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(shí),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)?,直到所有的鍵都開始發(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(cè)試時(shí)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?yàn)閷?duì)材料可靠性影響最大。

相對(duì)于玻璃布或其他增強(qiáng)材料,樹脂具有相對(duì)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(xiàng)指標(biāo):熱分解溫度。樹脂會(huì)在一定溫度點(diǎn)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(shí)對(duì)應(yīng)的溫度點(diǎn)。

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(gè)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(shí)候Td是需要考慮的。

④分層時(shí)間

特定的測(cè)試特定溫度下材料經(jīng)歷多長時(shí)間出現(xiàn)分層或爆板。分層時(shí)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(cè)量導(dǎo)體與基體材料之間的結(jié)合力。銅箔厚度會(huì)影響測(cè)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(huì)影響基材導(dǎo)電陽極絲(CAF)生長能力。

⑦阻燃性

美國保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)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(huì)在某個(gè)頻率點(diǎn)達(dá)到最大的情況。

介電常數(shù)和損耗因子通常都會(huì)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(gè)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(huì)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(duì)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(shí)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(huì)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(jí)。

選擇阻燃劑需要考慮其對(duì)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(duì)不同的產(chǎn)品需求會(huì)給添加不同的材料,以此來保證產(chǎn)品的性能。

下圖列出對(duì)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(gè)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(huì)在低等級(jí)又有電性能指標(biāo)要求的材料中使用。當(dāng)然,也會(huì)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(huì)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(huì)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。

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