了解PCB基材的NEMA分类标准

美男子玩编程

PCB基材的首次分类标准是由NEMA完成的，最早可以追溯到 1926 年，层压热固性材料的标准最初由电气供应制造商协会（Associated Manufacturers of Electrical Supplies）开发，该协会于1926年成为NEMA的供应分部，并于 1927 年 10 月出版了《NEMA 供应标准手册》（NEMA Handbook of Supply Standards），其中包含了四页有关于层压热固性材料的标准。
1931 年 11 月，NEMA发布了《层压酚醛产品标准》（第 31-13 号出版物）。该出版物包含了《NEMA供应标准手册》中的所有标准，并新增了纸基层压板（X、XP、XX和XXX等级）和布基层压板（C、CE、L和LE等级）的物理和电气性能标准。
1939年11月，发布了第38-57号出版物。除了扩展了之前等级的性能外，还新增了XXP、XXXP、A和AA等级的板材以及X、XX、C、CE和LE等级的卷制和模制管材。之后的NEMA版本包括：第46-118号出版物，LP 1-1951，LP 1-1955，LP 1-1959，LI 1-1965，LI 1-1971，LI 1-1983，LI 1-1998，LI 1-1998标准发布之后，于2011年再次确认，发布了 NEMA LI 1-1998（R2011）版本，也即此次文章参考的标准。此标准文档的英文版及中文翻译版老wu也会上传在《PCB 设计 一板即成功专栏》的此篇文章的附件区，有需要的同学请自行下载参考阅读。
NEMA的PCB用基材分类
NEMA中用于工业应用的基材分类有许多种规格，其中常见的适用于PCB的有以下几种：

yaobgxpa44g64053259.png

基材的应用
纸基酚醛树脂基材

a2niy40omt164053300.png

A: 纸基材 酚醛树脂
B: 铜箔
XPC、XXXPC、FR-1、FR-2都是纸基酚醛树脂基材，以漂白牛皮纸为增强材料，浸以酚醛树脂溶液并经干燥加工后，覆以涂胶的电解铜箔， 经高温高压的压制成型加工，所制成的覆铜板，称为纸基酚醛覆铜板。最常用的、 生产量最大的纸基酚醛覆铜板是FR-1板和XPC板，XPC及XXXPC为非阻燃基材，FR-1、FR-2的阻燃的等级NAME要求为UL94 V-1，板材供应商会提供更高等级的UL 94 V-0标准的产品。
纸基酚醛树脂基材的性能特点为价格便宜、相对密度小、可进行冲孔加工等优点，主要用于单面印刷线路板。一般应用于民生家电、信息周边产品与相关通信电子产品上，如：计算器、电话机、液晶电视、键盘、鼠标、显示器、光驱…等。
纸基环氧树脂基材

tvbsxglyq5i64053400.png

A: 纸基材 环氧树脂
B: 铜箔
FR-3是纸基环氧树脂基材，用浸渍纤维纸作增强材料，浸以环氧树脂溶液并经干燥加工后，覆以涂胶的电解铜箔， 经高温高压的压制成型加工，所制成的覆铜板，称为纸基环氧树脂覆铜板。纸基环氧树脂基材用于需要在潮湿条件下具有稳定电气性能的应用中。它们结合了较高的阻燃性和比纸基酚醛基材等级更高的机械强度，且可进行冲孔，阻燃等级要求为 UL94 V-1。
FR-3等级的基材目前已被CEM-3复合基材所替代。
玻璃布环氧树脂基材

afncvjtkcuo64053500.png

A: 玻璃编织布基材 环氧树脂
B: 铜箔
FR-4、FR-5都是玻璃布环氧树脂基材，由玻纤布做增强材料，浸以环氧树脂，覆以铜箔经高温，热压而成的。其中FR-4是PCB中用量最大的一类基材。
阻燃性方面，FR-4和FR-5按 UL 94 测试时至少达到 UL 94 V-1 等级，板材厂商通常提供更高规格的 UL 94 V-0等级的产品。
复合基材
CEM-1

maaxspw1fo464053600.png

A: 纸基材 环氧树脂
B: 玻璃编织布基材 环氧树脂
C: 铜箔
这种材料是在中心部分使用浸渍了环氧树脂的漂白牛皮纸，然后在上下两侧分别叠加浸渍了环氧树脂的玻璃织布基材，再与铜箔叠合制成的层压板。这种材料被称为玻璃织布-纸基材复合环氧树脂覆铜层压板，通常也称为复合环氧铜箔基板，主要用于制造单面。
CEM-1在机械性和制造成本上介于FR-4和XPC/FR-1之间，适用于冲孔与钻孔加工。随着CEM-1产品在耐漏电痕迹性(CTI)、尺寸精度和尺寸稳定性等性能日益精进，在批量制造的情况下已有产品使用CEM-1代替CEM-3、FR-4基板来降低成本。
CEM-3

upxldwmcyve64053700.png

A: 玻璃无纺布基材 环氧树脂
B: 玻璃编织布基材 环氧树脂
C: 铜箔
D: 玻璃无纺布
E: 玻璃布
这种材料是在中心部分使用浸渍了环氧树脂的玻璃无纺布材料，然后在上下两侧分别叠加浸渍了环氧树脂的玻璃织布基材，再与铜箔叠合制成的层压板。主要用于制造双面印刷电路板。
CEM-3的Tg、耐浸焊性、抗剥强度、吸水率、电击穿、绝缘电阻、UL指标等均能达到FR-4标准，所不同的是CEM-3抗弯强度低于FR-4，热膨胀大于FR-4。在批量制造的情况下已有产品使用CEM-3代替FR-4基板来降低成本。
广泛使用的FR-4
NEMA中最为广泛使用的基材等级是FR-4，使用玻璃布作为增强材料，主要为环氧树脂体系，阻燃等级达到UL 94 V-0的基材都被认为是FR-4基材。
FR-4基材尽管包含类似的性能并且大部分都是环氧树脂体系的，但这个范围很广。更为常见的情况是，会根据树脂的Tg值进一步划分为三个温度等级：

标准Tg：130°C

中Tg：150°C

高Tg：170°C
对于相对简单的应用，可以选择Tg值为130~140℃的FR-4材料，对多层或厚度较大的电路板，以及对耐热性能要求较高的产品，应选择Tg值为 170~180℃的 FR-4材料，尽管除Tg外，其他指标如分解温度Td、分层时间 T260 / T288也需一起考虑。
FR-4的UL等级：FR-4.0、FR-4.1
起初，FR-4材料是用溴化玻纤布增强的环氧树脂。随着不同性能标准应用范围的增加，引进了多种式样的组件以满足不同的应用需求。其结果是，具有不同的组合物和不同性能等级的材料均被称为FR-4。最终，美国保险商实验室(UL)发起了对FR-4的重新分类，即 FR-4.0和 FR-4.1。
FR-4.0是原始溴化环氧树脂基材料的一类，而FR-4.1则包含了非卤素基阻燃剂树脂系统。对 FR-4.1，溴化物、氯化物以及总的溴化物加上氯化物的含量有限。这一限制是总量不超过1500ppm，其溴化物和氯化物为900ppm。对树脂系统，所有类别必须包括至少50%环氧树脂，最大无机填料含量是45%。无机填料包括二氧化硅、滑石、黏土、氢氧化铝、陶瓷和其他类型无机颗粒。
参考材料[1] NEMA LI 1-1998 (R2011)
[2] “印制电路手册 – 设计与制造”，清华大学出版社，2019 年，第13-14页