环氧无铅线路板(PCB相关知识总结)

Posted 2023-06-02

篇首语：健儿须快马，快马须健儿。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了环氧无铅线路板(PCB相关知识总结)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

环氧无铅线路板(PCB相关知识总结)

本文章转载自广元兄的公众号：信号完整性学习之路

PCB相关基础性的知识，用思维导图方式来展示，让大家有更多的联想。

PCB组成

NEMA分类

NEMA--美国国家电气制造商协会制定了一个对基材分类的标准，除了NEMA标准，基材分类：增强材料类型、树脂体系类型、树脂体系的玻璃化转变温度（Tg）或材料的其他性能来进行分类。

半固化片&基材

将增强材料浸以树脂（半固化片），一面或两面覆以铜箔，经热压而成的一种板状材料，称为覆铜箔层压板，即为基材。

基材性能指标，有几个方面需要补充一下：

①玻璃化转变温度Tg

当材料被加热到的温度远高于其Tg值，可能导致不可逆的相态变化，但并不是说温度到达Tg值，就会发生不可逆的变化，只要树脂没有发生分解，这种热力学变化是可逆的。其实，当温度接近于Tg值，材料的物理特性就已经发生改变，随着温度继续升高，越来越多的分子键变弱，直到所有的键都开始发生物理变化。

高Tg值的基材往往比低Tg值的基材刚性更大且更脆。较低的铜剥离强度值和较短的分层测试时间也与高Tg值有关。

高端的FR4树脂体系往往具备高Tg值和高Td值。

②热膨胀

热膨胀系数（CTE）分为X轴、Y轴、Z轴热膨胀系数，一般指的是Z轴膨胀系数，因为对材料可靠性影响最大。

相对于玻璃布或其他增强材料，树脂具有相对较高的CTE。

③热分解温度

随着无铅工艺的出现，基材选择除了考虑玻璃化转变温度，还有一项指标：热分解温度。树脂会在一定温度点开始出现分解，树脂内的化学键开始断裂，有挥发成分逸出，质量减少。

Td通常定义为分解失去原始质量5%时对应的温度点。

为什么考虑Td？

通常认为Tg值越高，材料的可靠性越高。但是在无铅焊接工艺中，焊接合金往往需要比铅焊接工艺更高的回流温度，那这个温度可能已经接近很多基材中树脂的热分解温度了，因此有的时候Td是需要考虑的。

④分层时间

特定的测试特定温度下材料经历多长时间出现分层或爆板。分层时间受到CTE和树脂使用的不同固化剂的影响，体现的是材料的综合能力。

⑤铜箔剥离强度

剥离强度是测量导体与基体材料之间的结合力。铜箔厚度会影响测试的剥离强度值，默认为1oz厚的铜。

⑥吸水和吸湿性

材料在空气或浸没在水中，其抵抗吸水的能力。水分容易膨胀扩散，导致基材出现分层。水分也会影响基材导电阳极丝（CAF）生长能力。

⑦阻燃性

美国保险商实验室（UL）将阻燃性能分类为94V-0，94V-1，94V-2等。UL94，代表的是材料的最低可燃性能。

⑧电气性能

介电常数

树脂的介电常数比玻璃布小，树脂含量增加，介电常数变小。

损耗因子

树脂的损耗因子比玻璃布大，树脂含量增加，损耗因子变大。

介电常数一般随频率的增加而下降，损耗因子一般随频率的增加而上升，但会在某个频率点达到最大的情况。

介电常数和损耗因子通常都会随吸水率的上升而增加。

除了所说的基材性能指标，还有个IPC-410系列标准，IPC-4101 刚性及多层印制板基材规范，IPC-4103 高速/高频应用基材规范。

无铅组装涉及基材特性

RoHS限制使用的物质：铅(Pb)，镉(Cd)，汞(Hg)，多溴联苯(PBB)，多溴联苯醚(PBDE)等。

无铅组装会涉及基材的部分特性：

添加剂

添加剂有固化剂和阻燃剂。

树脂的有机成分要进行化学反应，才能产生聚合交联反应，需要使用固化剂。

RoHS限定了铅的使用，还对树脂配方中的阻燃剂做了限定。

关于阻燃剂：

大多数材料，固相抑制法和气相抑制法同时发生。

聚合物包含各种环氧树脂，具有不同的可燃性，树脂和固化剂类型会影响材料的基本可燃性，得出需要多少阻燃剂，以此确定材料的燃烧等级。

选择阻燃剂需要考虑其对树脂体系和基材产品性能的影响，有机磷系阻燃剂已成为PCB基材最常见的类型之一。

增强材料

增强材料有很多种，针对不同的产品需求会给添加不同的材料，以此来保证产品的性能。

下图列出对应材料的属性和功能：

E玻璃和NE玻璃能够很好地结合电气、机械、化学性能，是PCB最常用的玻璃纤维。

玻璃布上涂敷偶联剂（硅烷偶联剂），用于增强玻璃纤维和树脂之间的附着力，还有一个重要的作用就是抑制CAF的生长。

树脂体系

我们所说的FR-4是环氧树脂体系中的，FR-4代表的是什么？

FR代表阻燃，4代表环氧基数量。

环氧树脂混合物包括环氧聚苯醚(PPO)，环氧氰酸酯等，提高环氧树脂的电性能，一般会在低等级又有电性能指标要求的材料中使用。当然，也会有陶瓷-PTFE(铁氟龙)共混使用。

上面树脂体系的划分，各种资料会有不同。这么多树脂体系的选择，都是为了某类产品或者追求一些性能，也会使用不同树脂体系混合来达到要求，这也是最经济的解决之道。