在现代电子设备的制造中，电路板（PCB）是至关重要的组成部分。PCB的设计涉及到许多因素，其中PCB材料特性是决定电路板性能和可靠性的重要因素之一。不同的PCB材料在热、机械和电气方面表现出不同的行为，而正确选择和应用这些材料可以最大程度地优化电路板的性能。 在电子产品使用的PCB，基本都是由铜箔和有机材料组成的，如下图所示：

 

重要的PCB材料特性

1. 电气性能

电气性能是决定电路板信号传输和性能的关键因素之一。在PCB材料中，介电常数是一个重要的电气特性。介电常数影响信号的传播速度和损耗，特别是在高速/高频PCB设计中。介电常数随着频率的变化而变化，导致信号的色散和损耗。设计人员在选择PCB材料时，应特别关注介电常数的频率依赖性，以确保在高频应用中获得准确的信号传输。

 

2. 结构特性

PCB的结构特性会影响电路板的机械、热学和电气性能。其中两个关键方面是玻璃编织风格和铜导体粗糙度。

 

玻璃编织风格

玻璃编织风格在PCB基板上留下缝隙，影响基板的介电常数和机械性能。玻璃编织风格中的间隙会引起所谓的纤维编织效应，导致介电常数的变化和信号损耗。这在高频应用中尤为明显，可能影响信号的稳定性和传输质量。

 

铜导体粗糙度

铜导体的表面粗糙度影响电路板的电阻抗和信号传输。较粗糙的导体表面会增加高频信号传输时的损耗，降低信号质量。设计人员应该选择合适的导体制造方法和材料，以确保导体表面的平滑度和电气性能。

 

3. 热性能

PCB的热性能对于电子设备的散热和稳定性至关重要。在选择PCB材料时，热导率和比热是两个重要的考虑因素。

 

热导率和比热

热导率表示了热量在材料中传递的能力，而比热表示了材料温度变化所需的热量。这两个参数共同影响电路板的热传导和温度分布。对于需要高效散热的应用，应选择具有较高热导率的PCB材料，以确保热量能够有效地从电路板散发出去。

 

玻璃化转变温度和热膨胀系数（CTE）

玻璃化转变温度和热膨胀系数是决定PCB材料在热变化下性能的重要指标。玻璃化转变温度是材料从玻璃态转变为橡胶态的温度，影响材料的机械性能和稳定性。热膨胀系数表示材料在温度变化下体积的变化程度，影响PCB在热循环中的可靠性和稳定性。设计人员应选择具有适当玻璃化转变温度和热膨胀系数的PCB材料，以适应预期的工作温度范围和热循环环境。

 

Tg指标

（1）一般Tg的板材：130℃~150℃，如KB-6164F（140℃）、S1141（140℃）；

（2）中等Tg的板材：150℃~170℃，如KB-6165F（150℃）、S1141 150（150℃）；

（3）高等Tg的板材：170℃及以上，如KB-6167F（170℃）、S1170 （170℃）。

 

结论

在电路板设计中，正确选择和应用PCB材料是确保电路板性能和可靠性的关键。不同的PCB材料具有不同的电气、结构、机械和热性能，设计人员应根据应用需求仔细评估这些特性。通过考虑介电常数、结构特性和热性能等关键因素，设计人员可以制定出更稳定、高效的电子设备，满足不同应用的需求。

 

常见问题解答

Q1: 为什么介电常数对PCB设计重要？

A: 介电常数影响信号传播速度和损耗，对于高速/高频PCB设计非常关键。

 

Q2: 玻璃化转变温度是什么？

A: 玻璃化转变温度是材料从玻璃态转变为橡胶态的温度，影响材料的机械性能和稳定性。

 

Q3: 铜导体粗糙度对信号传输有何影响？

A: 铜导体粗糙度会增加信号传输时的损耗，降低信号质量。

 

Q4: 为什么热导率重要？

A: 热导率影响电路板的散热性能，对于高功率应用非常关键。

 

Q5: 如何选择合适的PCB材料？

A: 根据应用需求评估电气、结构、机械和热性能，选择最适合的PCB材料以优化性能和可靠性。

 

1、我们经常选择的FR-4不是一种材料的名称

我们经常指的“FR-4”是一种耐燃材料等级的代号，它所代表的意思是树脂材料经过燃烧状态必须能够自行熄灭的一种材料规格，它不是一种材料名称，而是一种材料等级，因此目前一般电路板所用的FR-4等级材料就有非常多的种类，但是多数都是以所谓的四功能(Tera-Function)的环氧树脂加上填充剂(Filler)以及玻璃纤维所做出的复合材料。

比如说我们家现在做的FR-4水绿玻纤板 黑色玻纤板，他都具有耐高温、绝缘、阻燃等功能。所以大家在选择材料的时候一定要搞清楚自己需要的材料要达到什么特点。这样就好选购到自己所需的产品。

印刷电路板基材主要有二大类：有机类基板材料和无机类基板材料，使用最多的是有机类基板材料。层数不同使用的 PCB 基材也不同，比如 3～4 层板要用预制复合材料，双面板则大多使用玻璃－环氧树脂材料。

分类	材质	名称	代码	特征
刚性覆铜薄板	纸基板	酚醛树脂覆铜箔板	FR-1	经济性，阻燃
			FR-2	高电性，阻燃(冷冲)
			XXXPC	高电性(冷冲)
			XPC经济性	经济性(冷冲)
		环氧树脂覆铜箔板	FR-3	高电性，阻燃
		聚酯树脂覆铜箔板
	玻璃布基板	玻璃布－环氧树脂覆铜箔板	FR-4
		耐热玻璃布-环氧树脂覆铜箔板	FR-5	G11
		玻璃布-聚酰亚胺树脂覆铜箔板	GPY
		玻璃布-聚四氟乙烯树脂覆铜箔板
复合材料基板	环氧树脂类	纸（芯）-玻璃布（面）-环氧树脂覆铜箔板	CEM-1，CEM-2	(CEM-1阻燃)；(CEM-2非阻燃)
		玻璃毡（芯）-玻璃布（面）-环氧树脂覆铜箔板	CEM3	阻燃
	聚酯树脂类	玻璃毡（芯）-玻璃布（面）-聚酯树脂覆铜箔板
		玻璃纤维（芯）-玻璃布（面）-聚酯树脂覆铜板
特殊基板	金属类基板	金属芯型
		金属芯型
		包覆金属型
	陶瓷类基板	氧化铝基板
		氮化铝基板	AIN
		碳化硅基板	SIC
		低温烧制基板
	耐热热塑性基板	聚砜类树脂
		聚醚酮树脂
	挠性覆铜箔板	聚酯树脂覆铜箔板
		聚酰亚胺覆铜箔板

 

【最新PCB及相关材料IEC标准信息】

 

国际电工委员会（简称IEC）是一个由各国技术委员会组成的世界性标准化组织，我国的国家标准主要是以IEC标准为依据制定，IEC标准也是PCB及相关基材领域中标准发展较快，先进的国际标准之一。为了便于同行了解PCB及相关材料的IEC技术标准信息，推进印电路技术的发展最快的与国际标准接轨，今将IEC现行有效的PCB基材（覆箔板）标准、PCB标准、PCB相关材料的技术标准、其涉及的测试方法标准的标准信息及修订情况整理如下：

 

PCB及基材测试方法标准:

 

1、IEC61189-1（1997-03）：电子材料试验方法，内连结构和组件----第一部分：一般试验方法和方法学。

2、IEC61189（1997-04）电子材料试验方法，内连结构和组件----第二部分：内连结构材料试验方法 2000年1月第一次修订

3、IEC61189-3（1997-04）电子材料试验方法，内连结构和组件----第三部分：内连结构（印制板）试验方法1999年7月第一次修订。

4、IEC60326-2（1994-04）印制板----第二部分；试验方法1992年6月第一次修订。

 

PCB相关材料标准

 

1、IEC61249-5-1（1995-11）内连结构材料----第5部分：未涂胶导电箔和导电膜规范----第一部分：铜箔（用于制造覆铜基材）

2、IEC61249-5-4（1996-06）印制板和其它内连结构材料----第5部分：未涂胶导电箔和导电膜规范----第四部分；导电油墨。

3、IEC61249-7-（1995-04）内连结构材料----第7部分：抑制芯材料规范----第一部分：铜/因瓦/铜。

4、IEC61249-8-7（1996-04）内连结构材料----第8部分：非导电膜和涂层规范----第七部分：标记油墨。

5、IEC61249 8 8（1997-06）内连结构材料----第8部分：非导电膜和涂层规范----第八部分：永久性聚合物涂层。

 

印制板标准

 

1、IEC60326-4（1996-12）印制板----第4部分：内连刚性多层印板----分规范。

2、IEC60326-4-1（1996-12）印制板----第一4部分：内连刚性多层印制板----分规范----第一部分：能力详细规范----性能水平A、B、C。

3、IEC60326-3（1991-05）印制板----第三部分：印制板设计和使用。

4、IEC60326-4（1980-01）印制板----第四部分：单双面普通也印制板规范（该标准1989年11月第一次修订）。

5、IEC60326-5（1980-01）印制板----第五部分：有金属化孔单双面普通印制板规范（1989年月日0月第一次修订）。

6、EC60326-7（1981-01）印制板----第七部分：（无金属化孔）单双面挠性印制板规范（1989年11月第一次修订）。

7、EC60326-8（1981-01）印制板----第八部分：（有金属化孔）单双面挠性印制板规范（该标准1989年11月第一次修订）。

8、EC60326-9（1981-03）印制板----第九部分：（有金属化孔）单双面挠性印制板规范（该标准1989年11月第一次修订）。

9、EC60326-9（1981-03）印制板----第十部分：（有金属化孔）刚-挠双面印制板规范（1989年11月第一次修订）。

10、EC60326-11（1991-03）印制板----第十一部分：（有金属化孔）刚-挠多层印制板规范。

11、EC60326-12（1992-08）印制板----第十二部分：整体层压拼板规范（多层印制板半成品）。

 

(1)纸基印纸基印纸基印纸基印制板制板制板制板 这类印制板使用的基材以纤维纸作增强材料，浸上树脂溶液(酚醛树脂、环氧树脂等)干燥加工后，覆以涂胶的电解铜箔，经高温高压压制而成。按美国 ASTM/NEMA(美国国家标准协会/美国电气制造商协会)标准规定的型号，主要品种有FR-1、FR-2、FR-3(以上为阻燃类XPC、 XXXPC(以上为非阻燃类)。全球纸基印制板85%以上的市场在亚洲。最常用、生产量大的是FR-1和XPC印制板。

 

(2)环氧玻纤布印制板环氧玻纤布印制板环氧玻纤布印制板环氧玻纤布印制板 这类印制板使用的基材是环氧或改性环氧树脂作黏合剂，玻纤布作为增强材料。这类印制板是当前全球产量最大，使用最多的一类印制板。在ASTM/NEMA标准中，环氧玻纤布板有四个型号：G10(不阻燃)，FR-4(阻燃)；G11(保留热强度，不阻燃)，FR-5(保留热强度，阻燃)。实际上，非阻燃产品在逐年减少，FR-4占绝大部分。

 

(3)复合基材印制板合基材印制板合基材印制板合基材印制板 这类印制板使用的基材的面料和芯料是由不同增强材料构成的。使用的覆铜板基材主要是CEM(composite epoxy material)系列，其中以CEM-1和CEM-3最具代表性。CEM一1基材面料是玻纤布，芯料是纸，树脂是环氧，阻燃；CEM-3基材面料是玻纤布，芯料是玻纤纸，树脂是环氧，阻燃。复合基印制板的基本特性同FR-4相当，而成本较低，机械加工性能优于FR-4。

 

(4)特种基材印制板特种基材印制板特种基材印制板特种基材印制板 金属基材(铝基、铜基、铁基或因瓦钢)、陶瓷基材，根据其特性、用途可做成金属(陶瓷)基单、双、多层印制板或金属芯印制板。

 

2、选择板材，我们需要考虑SMT带来的影响

 

无铅化电子组装过程中， 由于温度升高，印刷电路板受热时发生弯曲的程度加大，故在 SMT 中要求尽量采用弯曲程度小的板材，如 FR-4 等类型的基板。由于基板受热后的胀缩应力对元件产生的影响，会造成电极剥离，降低可靠性，故选材时还应该注意材料膨胀系数，尤其在元件大于 3.2×1.6mm 时要特别注意。表面组装技术中用 PCB 要求高导热性，优良耐热性（150℃，60min）和可焊性（260℃，10s），高铜箔粘合强度（1.5×104Pa 以上）和抗弯强度（25×104Pa），高导电率和小介电常数、好冲裁性（精度±0.02mm）及与清洗剂兼容性，另外要求外观光滑平整，不可出现 翘曲、裂纹、伤痕及锈斑等。

 

3、PCB的厚度选择

 

 印制电路板厚度有 0.5mm、0.7mm、0.8mm、1mm、1.5mm、1.6mm、（1.8mm）、 2.7mm、（3.0mm）、3.2mm、4.0mm、6.4mm，其中 0.7mm 和 1.5mm 板厚的 PCB 用 于带金手指双面板的设计，1.8mm 和 3.0mm 为非标尺寸。印制电路板尺寸从生产角度考虑，最小单板不应小于 250×200mm，一般理 想尺寸为（250～350mm）×（200×250mm），对于长边小于 125mm 或宽边小于 100mm 的 PCB，易采用拼板的方式。表面组装技术对厚度为 1.6mm 基板弯曲量的 规定为上翘曲≤0.5mm，下翘曲≤1.2mm。通常所允许的弯曲率在 0.065%以下 根据金属材料分为 3 种，典型的 PCB 所示；根据结构软硬分为 3 种，电子插件也向高脚数、小型化、SMD 化及复杂化发展。电子插件通过接脚安装在线路板上并将接脚焊在另一面上，这种技术称为 THT （ThroughHoleTechnology）插入式技术。这样在 PCB 板上要为每只接脚钻孔，示意了 PCB 的典型应用方式。

 

4、钻孔

 

随着 SMT 贴片技术的高速发展，多层线路板之间需要导通，通过钻孔后电镀来保证，这就 需要各种钻孔设备。为满足以上的要求，目前，在国内外推出不同性能的 PCB 数控钻孔设备。印制线路板的生产过程是一个复杂的过程，它涉及的工艺范围较广，主要涉及的领域有光化学、电化学、热化学；在生产制造过程中涉及的工艺步骤也比较多，以硬多层线路板为例来说明其加工工序。在整个工序中钻孔是十分重要的工序，孔的加工占用的时间也是最长的，孔的位置精度和孔壁质量直接影响后续孔的金属化和贴片等工序，也直接影响印制线路板的加工质量和加工成本数控钻孔机原理、结构及功能在线路板上钻孔的常 用方法有数控机械钻孔方法和激光钻孔方法等，现阶段以机械钻孔方法使用最多。

 

来源：Internet

关键词： 电路板设计 PCB材料