pcb板材参数解读-凯发k8一触即发

pcb板材是指覆铜基板，是制造电路板的最主要材料。板材的一些关键性能参数对电路板的生产加工、元器件贴装焊接、电子产品的功能实现以及产品的使用环境或寿命等都将产生一定程度的影响，所以掌握板材的关键参数在实际应用中非常有必要。pcb板材的关键性能参数有十数项，可以分为3大类，分别是热性能、电性能以及机械性能三类参数。参考市场上覆铜板主流厂商的板材技术参数，归纳其关键性能参数如下：松下台耀南亚生益建滔a、热性能参数：1、tg值（玻璃化转变温度）2、td值（热分解温度）3、cte值（热膨胀系数）4、t260 & t288值(耐热裂时间)5、热应力测试6、可燃性（阻燃等级）7、rti值（相对热指数）b、电性能参数：1、表面电阻率2、体积电阻率3、电解质击穿电压4、耐电弧性5、cti值（相对漏电起痕指数）6、dk值（介电常数）7、df值（介质损耗）8、caf性能（耐离子迁移性）c、机械性能1、抗弯强度2、剥离强度3、吸水率对于以上的板材关键参数，下面我逐一进行解读，为大家说明该参数的原来及对产品的影响，便于大家在设计产品时选用匹配合适的材料。一、热性能参数1、tg值，即玻璃化转变温度（glass transition temperature）。pcb板材的树脂有三种力学状态，分别是玻璃态、高弹态和粘流态。玻璃态：在低温时材料为固体状，与玻璃相似，在外力作用下只会发生非常小的变形，此状态我们称为玻璃态。高弹态：当温度升高到一定范围后，材料形变明显增加，并在随后的一定温度区间内形变相对稳定，此为高弹态。粘流态：当温度继续升高，材料形变量又逐渐增大，材料逐步变成粘性的流体，此时形变不可恢复，此状态称为粘流态。我们把玻璃态与高弹态之间的转变称为玻璃化转变，它所对应的温度就是玻璃化转变温度。目前用于玻璃化转变温度测定的方法有：差热分析法（dsc）、动态力学性能分析法（dma）、热机械分析法（tma）、核磁共振法（nmr）、动态介电分析法（deta），目前主要采用的是差热分析法（dsc）。图1：非晶态高聚物的温度-变形曲线图2：典型的dsc图差示扫描量热分析（differential scanning calorimetry，简称dsc）。dsc测试原理基于热力学第一定律，即能量守恒定律。当测试样品与参比样品发生相变或热转变（如玻璃化、融化、结晶等）时，将释放或吸收热量，导致样品和参比的温度发生变化。dsc测试就是通过测量样品与参比的温差来记录这种热量的变化。dsc仪器主要由样品层、参比层、加热层、温控系统和测温系统组成。样品层和参比层分别装有待测样品和参比样品，它们经过精确称量后放置在测量室内，并通过加热器进行加热。温控系统则负责控制加热的温度变化，通常采用恒定升温速率的方式。测温系统则通过热电偶或热电阻等传感器，测量 样品与参比的温差。图3：dsc测试标准tg值相对越高的板材，其耐高温和抗形变能力越好，应用中的优点体现在以下方面。在pcb生产过程中，tg越高其变形量越小、尺寸稳定性也越好，这对于高多层、高精度、高密度线路的pcb非常重要。尺寸稳定即意味着各层线路的图形变形量更小，设计需要预留的位置精度冗余更小，布线的密度可以更高，因此可以实现pcb更加小型化和轻薄化；同时焊盘、孔的位置精度也更高，有利于焊接生产。在焊接时，tg越高其在高温焊接时的耐热性能越好，保证高性能板在焊接时具有较小或极小的形变，使smd等引脚与板面焊盘之间形成较小的剪切应力和拉应力、提高焊点质量（或均匀一致性），提高组装可靠性。不同基材tg层数单面2~6层8~10层12~20层＞20层基材tg110~130130~150150~180150~200180~250相应树脂体系酚醛树脂环氧树脂环氧树脂改性环氧树脂改性环氧树脂改性环氧树脂ppo树脂pi树脂改性环氧树脂ppo树脂bt树脂pi树脂ce树脂表1：板材tg2、td值，基材的热分解温度（thermal decomposition temperature）它表示电路板板材的热分解温度，是指板材的树脂受热失重5%时的温度，作为印制电路板的基材受热引起分层或性能下降的标志。现厂采用热重量分析法（tga）来测量。当板材加热到超过其td温度时，板材的树脂分子链将遭到破坏，造成不可逆转的性能下降，这是一项指导板材使用的重要参数，以下是常用板材的热分解温度范围。常用板材热分解温度范围板材类型fr-1xpc22fcem-1cem-3fr-4铝基板铜基板fr-4fr-4基材tg110~130130~150130~140150~190＞200基材td280~300300~350300~350340~400＞400相应树脂体系酚醛树脂环氧树脂环氧树脂环氧树脂改性环氧树脂改性环氧树脂ppo树脂bt树脂pi树脂ce树脂表2：板材td在采用回流焊或波峰焊生产时，通常实际焊接温度在210~240℃，远低于板材的热分解温度，所以正常焊接的情况下非常安全，不会对板材造成任何损伤。3、cte值，热膨胀系数（coefficient of thermal expansion）cte是衡量基材耐热性能的又一重要指标，它是指材料受热后在单位温度内尺寸变化的比率，以每摄氏度变化百万分之几表示 (ppm)，基材的cte在x、 y方向和z方向不同。目前主要采用热机分析法（tma）来测量。x, y 方向热膨胀系数是板材水平方向的热膨胀系数，是表征水平方向的变形量，主要是对pcb生产中各层线路图形变形量、焊盘及孔位置精度产生影响，此外在焊接时会因变成产生剪切或拉应力。x, y 方向热膨胀系数一般表示的是在30~130℃温度范围内的尺寸变化率。还有另外一种表示方式,即基板从50℃等速升到260℃条件时的x, y方向的尺寸变化率。但是在水平方向上由于树脂被其中作为增强材料玻璃布的牵制, 在环境温度提高,树脂产生形变时, 覆铜板的x, y 方向热膨胀系数都表现得变化不太明显，目前普遍情况在11~15ppm/℃。z方向热膨胀系数是板材厚度方向的膨胀系数，表征厚度方向的变形量， 板材受热膨胀后由于树脂的膨胀尺寸大于孔壁的铜层膨胀尺寸, 对孔壁铜层产生拉伸应力,会影响金属化孔的质量。z 方向热膨胀系数是在升高温度 50~260℃的条件下, 测量z方向的总膨胀尺寸变化率。由于温度在基材 tg 以下，与达到 tg及以上变化率表现出很大的差别，因此, 一般将厚度方向 (z方向) 的热膨胀系数分为在 tg温度点以下和tg温度点以上，通常tg温度点以上的热膨胀系数是tg温度点以下的5~6倍。不同品牌、不同树脂体系、不同tg的板材都有所差异，但相差不大，一般tg点以下要求≤60ppm/℃，tg点以上要求≤300ppm/℃，目前实际情况是fr-4板材tg点以下在40~60ppm/℃，tg点以上在200~300ppm/℃。pcb组成材料cte值参考范围名称cte值（ppm/℃）树脂（＜tg）40~100树脂（＞tg）200~300玻纤布5~7铜层17元器件5-7表3：板材cte4、t260，t288（耐热裂时间测试）这是pcb上的一个重要参数，它是采用tma法将板材逐步加热到260℃、288℃定点温度，然后观察pcb在此强热环境中，能够抵抗z轴膨胀多久而不致裂开，此种忍耐时间即定义为耐热裂时间。耐热裂时间是一个非常客观且非常实用的评价板材耐热性能的参数，设计人员在选择、判断板材好坏时参考耐热裂时间比tg值更为贴切。常用t260、t288标准pcb类型t260t288低tg＞30min＞5min中tg＞30min＞10min高tg＞30min＞15min表4：板材t260,t2885、热应力测试（thermal stress）物体内部温度变化时，只要物体不能自由伸缩，或其内部彼此约束，则在物体内部产生应力，这种应力称之为热应力。组成pcb的材料包括树脂、玻璃纤维布、铜箔、化学镀铜层、电镀铜层、阻焊油墨，这些材料的热膨胀系数各不相同，有些相差极大，温度变化时必然产生热应力。热应力测试是模拟焊接过程的极限焊接条件下，基材或pcb在焊接过程中，经过高低温变化后受到热应力作用是否破坏材料结构性能。目前常采用的测试方法是把常温样品浮于288℃焊锡槽液面，保持10  1/-0秒，自然冷却至室温，然后检查有无板材有无分层、起泡、露织物、白斑、碎裂或空洞等。6、可燃性（flammability）指材料可耐燃烧程度等级。目前广泛采用的是ul94燃烧性试验标准。由ul机构（美国保险商实验所underwrite laboratories inc.）制订。ul94共12个防火等级：hb，v0,v1,v-2,5va,5vb,vtm-0,vtm-1,vtm-2,hbf,hf1,hf2。其中vtm-0、vtm-1、vtm-2适用于塑料薄膜，hbf、hf1、hf2斯适用于发泡材料。塑料阻燃等级由hb、v-2、v-1向v-0逐级递增，我们pcb适用此标准。ul94hb为水平燃烧测试，ul94v为垂直燃烧测试试样要求：125mm×13mm×原厚（最大不超过13mm),94hb至少6根，94v至少20根由于ul94燃烧性试验的方法和评定标准较为复杂，为了便于理解掌握，以下对评定标准做一个简要介绍。ul94hb级评定：厚度在3.0-13mm的试样的燃烧速率不大于40mm/min；或厚度小于3.0mm的试样的然烧速率不大于75mm/min,或在100mm标线前熄灭。ul94v级评定：v-0:对样品进行两次10秒的燃烧测试后，火焰在10秒内熄灭。不能有燃烧物掉下。v-1:对样品进行两次10秒的燃烧测试后，火焰在30秒内熄灭。不能引燃30cm下方的药棉。v-2:对样品进行两次10秒的燃烧测试后，火焰在30秒内熄灭。可以引燃30cm下方的药棉。级别测试项目94-v094-v194-v21十次点燃总有焰燃烧时间最大值s502502502个别的有焰燃烧时间最大值s1030203无焰燃烧时间s3060604有焰熔滴无无允许仅短时燃烧表5：ul94v阻燃等级标准7、rti值，相对热指数（relative thermal index）rti是一个较少被提及的热性能参数。它是ul规定的电路材料的额定值，表示原材料无限期的暴露在其中而不会发生材料特性退化的最高温度。当原材料被加工成电路时，还有一个适用于电路功率容量的额定值，即最高工作温度（mot）。mot是指电路的关键特性不发生退化的情况下可以暴露的最高温度。mot总是低于电路材料的rti值。fr-4板材的rti一般在130~150℃。二、电性能参数8、表面电阻率（surface resistivity）表面电阻率ρs：该参数是指一定表面积内物质对于带电流的阻抗力。表示在绝缘材料的表面层的直流电场强度与线电流密度之商，即单位面积内的表面电阻。常用标准是：防潮后≥104mω，在高温下≥103mω。注：表面电阻rs，是在试样表面上两电极间所加电压与进过一定时间后流过两电极间的电流之商；该电流主要为流过试样表层的电流 ，也包括一部分流过试样提及的电流成分。在两电极间可能形成的极化忽略不计。表面电阻率ρs=rs·p/gρs：表面电阻率 （ω·m）rs：表面电阻（ω）p：被保护电极(测量电极)的有效周长（mm）g：测量电极与保护电极间的距离（mm）图4：表面电阻rs测量示意图9、体积电阻率（volume rsistivity）体积电阻率ρv：是指一定体积内物质对于带电流的阻抗力。表示在绝缘材料里面的直流电场强度与稳态电流密度之商，即单位体积内的体积电阻。常用标准是：防潮后≥106mω·cm，在高温下≥103mω·cm。体积电阻率ρv=rv·a/h       a=（π/4）·(d1 g)2ρv：体积电阻率 （ω·m）d1 : 被保护电极直径(mm)g：测量电极与保护电极间的距离 （mm）h : 绝缘材料试品的厚度（mm）rv：体积电阻值a: 被保护电极(测量电极)有效面积（mm2）图5：体积电阻rv测量示意图图6：表面电阻、体积电阻测试仪10、电介质击穿电压（dielectric breakdown ）电介质击穿电压是指在特定条件下，电介质中的电场强度达到一定数值时，电介质会发生击穿现象的最低临界电压。影响固体介质击穿电压的主要因素有：1、电介质性质；2、电场强度；3、电压作用时间；4、电场均匀程度；5、温度；6、受潮程度；7、累计效应。在均匀电场中，击穿电压与介质厚度之比称为击穿电场强度，简称为击穿强度，又叫：“介电强度”。fr-4板材按ipc-4101的击穿电压标准是≥40kv，实际都可达到45或50kv以上。介电强度标准是＞30kv/mm，实际大多可达到40kv/mm以上。通常空气的介电强度大约3~4kv/mm,fr-4板材达到40kv/mm，即1000v/mil,考虑到长时间老化和绝对安全等因素按500v/mil进行设计也完全满足绝大多数应用场景。图7：介电强度（击穿电压）测试仪图8：电介质截面击穿形状11、耐电弧性（arc resistance）是指材料抵抗有高电压电弧作用引起变质的能力。通常用电弧焰在材料表面引起碳化至表面导电而电弧消失所需时间表示，单位是秒。fr-4板材按ipc-tm650，2.5.1和ipc-4101标准，变压器调至12500v/10ma生成电弧，板材耐电弧标准是≥60秒，实际大多是板材可以达到100秒以上。图9：耐电弧测试仪12、cti值，相对漏电起痕指数（comparative tracking index ）是指材料表面能经受住50滴电解液(0.1%氯化铵溶液)而没有形成漏电痕迹的最高电压值，单位为v。ul 746a标准中3级标准是175~249v。图10：相对漏电起痕指数测试13、dk值，介电常数（relative permittivity或dielectric constantex ）介质在外加电场时，会产生感应电荷而削弱电场，介质中电场cx与外加电场c0(真空中)的比值即为相对介电常数εr，此常数与频率相关。 （ε读作艾普西隆）介电常数(又称电容率)，是相对介电常数εr与真空中绝对介电常ε0数乘积。以ε(/'epsɪlɒn/)表示，ε= εr×ε0，ε0为真空绝对介电常数，ε0=8.85*10^(-12)f/m。需要强调的是，一种材料的介电常数值与测试的频率密切相关。fr-4板材通常1ghz频率下普通板材介电常数在4.2~5.3之间，高速板材介电常数3.6~4.0之间。简单理解介电常数，是指物质保持电荷的能力，理想的物质这项参数值较小。它对pcb的阻抗控制和信号传输速度产生直接重要影响，pcb的阻抗与介电常数、铜厚、线宽成反比，与参考层间距离成正比。（1）介电常数与信号传输速度的关系公式 =    cm/ns（1.1）微带线的传输延迟简化计算公式或 （1.2）埋入式微带线和带状线的传输延迟简化计算公式或 从公式我们可以看到，传输延迟取决于介电常数，与线宽或间距无关。（fr4板εr≈4.5，信号传输速度约为15cm/ns）（2）介电常数与阻抗的关系（2.1）单微带线介电常数与阻抗的简化公式：图11：单微带线（2.2）单带状线介电常数与阻抗的简化公式图12：单带状线（2.3）双带状线介电常数与阻抗的简化公式图13：双带状线（3）介电常数与能量损失的关系ccl在高频电场的作用下，因发热而消耗能量，是信号在传输中减弱k2是常数，f是频率，vc是光速，tanδ为介电损耗正切角。（4）介电常数与吸水性的关系由于水的介电常数=80，远远大于基材的介电常数，因此在发生吸水后，它的介电常数会随电导增大将会有不同程度的增大。所以必须降低吸水率。（5）介电常数与耐离子迁移性的关系从泊松电场方程和亨利电泳速度公式可以得出ε越小，离子迁移的电场越小，耐离子迁移性越好。ξ为动电电位，读作克西；η为液体的粘度，读作伊塔。14、df值，介质损耗因数（dissipation factor）介质损耗：绝缘材料或电介质在交流电场中，由于介质电导和介质极化的滞后效应，引起能量损耗叫做介质损耗，这种能量损耗表现为材料发热。介质损耗因数df：由于介质电导和介质极化的滞后效应使电介质内流过的电流相量和电压相量之间产生一定的相位差，即形成一定的相角，此相角的正切值即为损耗因数df。简单讲df值就是表示电容器中因内热损耗掉的能量与总能量的占比，或介电材料在交流电场作用下的能量损耗与存贮能量之比。df值越小，表示介电材料的损耗越小，df越高，则介质电导与介质极化滞后效应越明显，电能损耗或信号损失越多。在高频电子学中需要选择df值比较小的介电材料。· 在pcb应用中，df表示指传输线中已经朝向介质板材中损失掉的能量(loss)与传输线中仍然存在(尚未损失)能量(stored)之比值就是df值。df是衡量介电材料能量耗损大小的指标，df越低，则信号在介质中传送的完整性越好。fr-4板材通常在1ghz频率下· 普通损耗板材（df≥0.02）· 中损耗板材（0.01