PCB組成
NEMA分類
NEMA--美國國家電氣制造商協(xié)會制定了一個對基材分類的標準,除了NEMA標準,基材分類:增強材料類型、樹脂體系類型、樹脂體系的玻璃化轉變溫度(Tg)或材料的其他性能來進行分類。
半固化片&基材
將增強材料浸以樹脂(半固化片),一面或兩面覆以銅箔,經(jīng)熱壓而成的一種板狀材料,稱為覆銅箔層壓板,即為基材。
基材性能指標,有幾個方面需要補充一下:
①玻璃化轉變溫度Tg
當材料被加熱到的溫度遠高于其Tg值,可能導致不可逆的相態(tài)變化,但并不是說溫度到達Tg值,就會發(fā)生不可逆的變化,只要樹脂沒有發(fā)生分解,這種熱力學變化是可逆的。其實,當溫度接近于Tg值,材料的物理特性就已經(jīng)發(fā)生改變,隨著溫度繼續(xù)升高,越來越多的分子鍵變?nèi)?,直到所有的鍵都開始發(fā)生物理變化。
高Tg值的基材往往比低Tg值的基材剛性更大且更脆。較低的銅剝離強度值和較短的分層測試時間也與高Tg值有關。
高端的FR4樹脂體系往往具備高Tg值和高Td值。
②熱膨脹
熱膨脹系數(shù)(CTE)分為X軸、Y軸、Z軸熱膨脹系數(shù),一般指的是Z軸膨脹系數(shù),因為對材料可靠性影響最大。
相對于玻璃布或其他增強材料,樹脂具有相對較高的CTE。
③熱分解溫度
隨著無鉛工藝的出現(xiàn),基材選擇除了考慮玻璃化轉變溫度,還有一項指標:熱分解溫度。樹脂會在一定溫度點開始出現(xiàn)分解,樹脂內(nèi)的化學鍵開始斷裂,有揮發(fā)成分逸出,質量減少。
Td通常定義為分解失去原始質量5%時對應的溫度點。
為什么考慮Td?
通常認為Tg值越高,材料的可靠性越高。但是在無鉛焊接工藝中,焊接合金往往需要比鉛焊接工藝更高的回流溫度,那這個溫度可能已經(jīng)接近很多基材中樹脂的熱分解溫度了,因此有的時候Td是需要考慮的。
④分層時間
特定的測試特定溫度下材料經(jīng)歷多長時間出現(xiàn)分層或爆板。分層時間受到CTE和樹脂使用的不同固化劑的影響,體現(xiàn)的是材料的綜合能力。
⑤銅箔剝離強度
剝離強度是測量導體與基體材料之間的結合力。銅箔厚度會影響測試的剝離強度值,默認為1oz厚的銅。
⑥吸水和吸濕性
材料在空氣或浸沒在水中,其抵抗吸水的能力。水分容易膨脹擴散,導致基材出現(xiàn)分層。水分也會影響基材導電陽極絲(CAF)生長能力。
⑦阻燃性
美國保險商實驗室(UL)將阻燃性能分類為94V-0,94V-1,94V-2等。UL94,代表的是材料的最低可燃性能。
⑧電氣性能
介電常數(shù)
樹脂的介電常數(shù)比玻璃布小,樹脂含量增加,介電常數(shù)變小。
損耗因子
樹脂的損耗因子比玻璃布大,樹脂含量增加,損耗因子變大。
介電常數(shù)一般隨頻率的增加而下降,損耗因子一般隨頻率的增加而上升,但會在某個頻率點達到最大的情況。
介電常數(shù)和損耗因子通常都會隨吸水率的上升而增加。
除了所說的基材性能指標,還有個IPC-410系列標準,IPC-4101 剛性及多層印制板基材規(guī)范,IPC-4103 高速/高頻應用基材規(guī)范。
無鉛組裝涉及基材特性
RoHS限制使用的物質:鉛(Pb),鎘(Cd),汞(Hg),多溴聯(lián)苯(PBB),多溴聯(lián)苯醚(PBDE)等。
無鉛組裝會涉及基材的部分特性:
添加劑
添加劑有固化劑和阻燃劑。
樹脂的有機成分要進行化學反應,才能產(chǎn)生聚合交聯(lián)反應,需要使用固化劑。
RoHS限定了鉛的使用,還對樹脂配方中的阻燃劑做了限定。
關于阻燃劑:
大多數(shù)材料,固相抑制法和氣相抑制法同時發(fā)生。
聚合物包含各種環(huán)氧樹脂,具有不同的可燃性,樹脂和固化劑類型會影響材料的基本可燃性,得出需要多少阻燃劑,以此確定材料的燃燒等級。
選擇阻燃劑需要考慮其對樹脂體系和基材產(chǎn)品性能的影響,有機磷系阻燃劑已成為PCB基材最常見的類型之一。
增強材料
增強材料有很多種,針對不同的產(chǎn)品需求會給添加不同的材料,以此來保證產(chǎn)品的性能。
下圖列出對應材料的屬性和功能:
E玻璃和NE玻璃能夠很好地結合電氣、機械、化學性能,是PCB最常用的玻璃纖維。
玻璃布上涂敷偶聯(lián)劑(硅烷偶聯(lián)劑),用于增強玻璃纖維和樹脂之間的附著力,還有一個重要的作用就是抑制CAF的生長。
樹脂體系
我們所說的FR-4是環(huán)氧樹脂體系中的,F(xiàn)R-4代表的是什么?
FR代表阻燃,4代表環(huán)氧基數(shù)量。
環(huán)氧樹脂混合物包括環(huán)氧聚苯醚(PPO),環(huán)氧氰酸酯等,提高環(huán)氧樹脂的電性能,一般會在低等級又有電性能指標要求的材料中使用。當然,也會有陶瓷-PTFE(鐵氟龍)共混使用。
上面樹脂體系的劃分,各種資料會有不同。這么多樹脂體系的選擇,都是為了某類產(chǎn)品或者追求一些性能,也會使用不同樹脂體系混合來達到要求,這也是最經(jīng)濟的解決之道。
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