[收藏好用]PCB下单时板材选择的关键考虑因素

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随着电子技术的迅猛发展，印刷电路板（Printed Circuit Board，下文简称为PCB）已成为现代电子产品不可或缺的核心组件。PCB不仅是电子元件的物理载体，更是电路设计和功能实现的关键。在设计PCB上的互联电路时，我们需要将PCB视为隐藏在原理图中的最重要组件，比如我们需要精心设计PCB的叠层结构来实现传输线，但这些设计并没有直接体现在原理图中。在pcb设计阶段，忽视PCB板材及其寄生参数的影响，是导致信号完整性（SI）、电源完整性（PI）和电磁兼容性（emc）出现问题的常见原因。在PCB的制造环节，板材的选择对产品的性能、可靠性、成本以及最终的市场竞争力也有着深远的影响。
根据不同电子设备的开发需求，设计人员需要关注板材的各种特性，并选择最适合的PCB材料。由于FR-4等级的基材已成为目前最主流的选择，老wu这里主要介绍FR-4规格的基材的基本规格和选择要点。
板材Tg的重要性温度变化会导致PCB板厚方向的膨胀和收缩，并且如果温度变化不断重复，由于基材和通孔铜镀层的热膨胀系数（CTE）不同，会导致应变积累，最终在释放时发生过孔镀层断裂，造成PCB过孔失效。
为了确保通孔的连接可靠性，在基材的选择时需要首先考虑的是玻璃化转变温度Tg和Z轴热膨胀系数Z-CTE。
对于PCB板材的选择，最常提到的是Tg。树脂系统的Tg是材料从相对刚性的或“玻璃态”状态转变为更具可变形性或软化状态的温度。理解Tg很重要，因为基材的属性在Tg以上与Tg以下是不同的。
所有材料在温度变化时都会发生物理尺寸的变化。基材在低于Tg时的膨胀速度远低于高于Tg时的膨胀速度。热机械分析（TMA）是一种用于测量尺寸变化与温度关系的方法。通过外推曲线的线性部分到它们相交的点，可以测量出Tg的值。

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图示：使用热机械分析（TMA）测量玻璃化转变温度（Tg）
曲线在Tg以上和以下的线性部分的斜率分别代表热膨胀的速度，或者通常所说的热膨胀系数（CTE）。CTE值很重要，因为它们影响成品电路的可靠性。在其他条件相同的情况下，较少的热膨胀会导致电路的可靠性更高，因为对电镀孔施加的应力较小。
虽然Tg通常被描述为一个非常精确的温度，但这有些误导，因为材料的物理性质可以在接近Tg时开始发生变化。对于Tg值，我们要注意的是，虽然在基材规格表里给出的是一个具体的温度值，比如Tg135、Tg155、Tg170等等，但如下图所示采用TMA 方法测量的Tg值的示意图

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通过该图我们可以了解到温度变化与Tg值及CTE的关系，在温度接近Tg值时，尺寸值已经有了比较迅速的变化，也即基材在温度接近Tg值时，其机械性能已经有了较为显著的劣化。
所以在选择基材时，建议Tg应比长期工作温度高出约20-30°C。这一建议在实践中多年来已被证明是有效的。
Tg在典型的FR4材料应用中被分为三个温度范围：

标准Tg：130°C

中Tg：150°C

高Tg：170°C
举个汽车行业的例子：车辆座舱区域的最高温度为85°C，加上30℃文后，基材的Tg应至少为115°C。由于我们使用的标准FR4材料的Tg至少为130°C，如果不考虑PCB装配等环节的热冲击因素的影响，单就PCB的基材长期可靠运行温度而言，在这种情况下可以不需要中等或高Tg材料。
而在汽车发动机舱的情况则不同，这里的最高使用温度为125°C，加上30℃后，这意味着Tg应至少为155°C，因此需要使用高Tg材料（170°C）。
在许多关于Tg的讨论中，隐含的假设是更高的Tg值总是更好的，但情况并不总是如此。虽然更高的Tg值确实能延迟树脂系统中高热膨胀率的开始，但不同材料的总膨胀量可能有所不同。由于树脂的CTE值不同，或者由于在树脂系统中加入了降低复合材料CTE的填料，一种具有较低Tg的材料可能表现出比具有较高Tg的材料更小的总膨胀量，如下图所示。

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材料C的Tg比材料A高，但由于其在Tg以上的CTE值更高，材料C表现出更大的总热膨胀量。另一方面，材料B在Tg以上和以下的CTE值相同，但由于其Tg较高，材料B的总热膨胀量比材料A小。最后，尽管材料B与材料C得Tg值相同，但由于材料B在Tg以上的CTE值较低，其表现出的总膨胀量比材料C小。
在焊接过程中，尤其是在符合RoHS标准的无铅工艺中，Tg 仅作为重要的选择参考标准之一，因为较高的 Tg 值并不一定意味着在加工过程中具有更高的耐热性。
为了降低出现热机械故障（如分层现象）的风险，应该结合其他关键参数，尤其是分解温度（Td）。
分解温度 Td随着PCB暴露在更高温度下，例如在无铅组装过程中，材料的分解温度（Td）变得更加关键。Td是衡量树脂系统实际发生化学和物理降解的指标。该测试使用热重分析（TGA），通过测量样品质量与温度的关系来确定Td，通常定义为样品质量损失5%时的温度。

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图示：两种具有175°C Tg值的FR-4材料的分解曲线
上图展示了两个具有相同Tg的FR-4材料，但它们的Td不同。经验表明，Td是一项关键属性，在进行无铅组装转换的规划时，它至少与Tg同样重要，甚至更为重要。
虽然Td的定义使用了5%质量损失的标准，但理解2-3%质量损失发生的温度点，即分解开始的温度点，也是非常重要的。通过上图可以看到传统的Sn/Pb组装过程可以达到210°C至245°C的峰值温度，其中230°C是一个很常见的值。在这一温度范围内，这两种材料均未表现出显著的分解。然而，当观察无铅组装过程的工作温度范围时，可以看到传统材料表现出2-3%的质量损失。多次暴露在这些温度下可能导致严重的降解。
当达到分解温度时，树脂基质会发生不可逆的损伤。在选择PCB板材的Td时，作为经验法则，可以遵循以下几点：

Td越高，基材在温度负荷下的预损伤越小。

较高的Td为无铅制造和加工提供了安全余量。

温度稳定性好的基材的关键参数：Td (5%) > 325°C。
分层时间 T260 / T288这一可靠性测试参数（焊接冲击测试）描述了材料在特定温度下发生分层（通过尺寸变化表现出）的时间与温度的关系。标准材料的T260通常为10到15分钟，而热稳定材料在260°C下的分层时间超过60分钟，在288°C下至少可以稳定5分钟。
材料的热稳定性主要取决于固化剂的类型（与填料含量有关）。这些数值同样通过热机械分析（TMA）方法测定。
作为经验法则，可以遵循以下几点：

T260 / T288 值越高，基材在长期或循环温度负荷下发生粘结故障的风险越小。

较高的 T260 / T288 为无铅制造和加工提供了安全余量。

温度稳定性良好的基材的关键参数：
T260 > 30 分钟
T288 > 5 分钟。
热膨胀系数 CTE热膨胀系数(CTE)描述加热时材料膨胀的属性。由于大多数层压板是增强复合材料结构，因此在X和Y轴上的CTE和在Z轴上的CTE通常是不同的。按照惯例，X轴对应于增强材料的经纱方向，而Y轴对应于增强织物的纬纱方向，Z轴是与层压板垂直的方向。测试值之间的差异与增强材料有关，增强材料较大程度限制了层压板在X轴和Y轴的热膨胀，然而树脂可以在无增强材料限制的Z轴上出现热膨胀。

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与 FR-4 的 Z轴CTE相比，铜的 CTE 较低。因此，PCB孔壁内的镀铜会因膨胀系数不同而发生破裂。

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在Tg以下的轴CTE与在Tg之上的Z轴CTE增值率有明显区别
理想情况下，Z方向的CTE应该与镀铜孔中的铜膨胀率相匹配（大约17ppm/°C），以避免在焊接回流等工艺步骤产生的热循环过程中因应力不匹配而造成孔壁内的镀铜破裂。大多数标准材料在Tg以下的Z-CTE为50-60 ppm/°C，而在Tg以上则大约高出4倍。电路板越厚，焊接过程中对 Z 方向应力就越大。因此，电路板越厚，就越倾向于使用高 Tg 材料和 Z-CTE 相对较低的材料。
对于高多层PCB而言，由于此类PCB大多都是采用的高密度化设计，各个层之间需要钻孔然后在孔的内壁镀铜实现层间的互联，这就对PCB制造时各个叠层的对准提出了较高要求，电镀通孔与各层走线之间的连接如果出现较大偏差，可能因各层之间的电气连接失效而导致PCB的报废。所以在制造高多层PCB时，对基材的X、Y、Z方向的CTE都有较高的要求，而可靠的PCB制造商通常也会采用高Tg（较低的CTE）的板材来制造高多层PCB。
嘉立创对于6层及以上的高多层PCB，提供了TG170的高Tg板材的选项，层数高于8层的高多层PCB，嘉立创会默认提升为TG170的FR-4基材，在需要更高质量的情况下，嘉立创也有生益 S1000-2M （TG 170）的基材可供选择，足以应对大多数应用场景下的PCB基材的热性能要求。
板材选型的其他关键因素在选择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。
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。
像嘉立创，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。

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嘉立创高多层PCB下单-板材选项
如上图所示，列出的选项均是采用真A级板材。这方面嘉立创做得是真心不错，是为数不多全部采用真A级料的厂商。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。
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。

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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。
总结高多层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，板材选择考虑很多因素。根据不同电子设备的开发需求，设计人员需要关注板材的各种特性，并选择最适合的PCB材料。
参考材料[1] "印制电路手册 - 设计与制造"，清华大学出版社，2019 年，第116-137页
[2] Re-engineered FR-4 Base Materials for Improved Multilayer PCB Performance，https://www.isola-group.com/wp-content/uploads/Re-engineered-FR-4-Base-Materials-for-Improved-Multilayer-PCB-Performance.pdf
[3] 全面认识高多层PCB板材, https://www.jlc.com/portal/t6i42984.html

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