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技術(shù)專題
PCB材料選擇
有時(shí)，我會(huì)遇到一些設(shè)計(jì)師的問(wèn)題，他們想進(jìn)一步了解PCB材料的選擇和制造工藝。我得到的一個(gè)問(wèn)題是PCB芯與預(yù)浸料之間的確切區(qū)別。這些術(shù)語(yǔ)有時(shí)可以互換使用，包括由新手設(shè)計(jì)師使用。
明確了芯材和預(yù)浸料之間的區(qū)別之后，應(yīng)使用哪種材料？重要的參數(shù)在電鍍，蝕刻和固化期間如何變化？隨著越來(lái)越多的設(shè)計(jì)人員必須非常熟悉GHz頻率的工作，這些要點(diǎn)對(duì)于正確確定這些材料上的走線大小并避免復(fù)雜的信號(hào)完整性問(wèn)題變得非常重要。
PCB核心與預(yù)浸料之間的區(qū)別
PCB芯和層壓板是相似的，并且在某些方面有很大的不同。您的核心實(shí)際上是一個(gè)或多個(gè)預(yù)浸料層壓板，這些層壓板可以通過(guò)加熱進(jìn)行壓制，硬化和固化，并且該核心的每一側(cè)均鍍有銅箔。預(yù)浸材料用樹脂浸漬，其中樹脂硬化但未固化。大多數(shù)制造商將預(yù)浸料坯描述為將核心材料粘合在一起的膠水。當(dāng)將兩個(gè)芯堆疊在預(yù)浸料層壓板的每一側(cè)時(shí)，將堆疊暴露在熱下會(huì)導(dǎo)致樹脂開(kāi)始粘合到相鄰層。硬化后的樹脂通過(guò)交聯(lián)緩慢固化，其最終的材料性能開(kāi)始接近芯層的性能。
樹脂材料包裹了玻璃編織物，該玻璃編織物的制造過(guò)程與制造紗線的過(guò)程非常相似。玻璃組織可以很緊（例如7628預(yù)浸料）或很松（例如1080預(yù)浸料），在制造過(guò)程中可以用織機(jī)控制。紗線的任何間隙和整體均勻性將決定電磁性能，電磁性能隨后會(huì)導(dǎo)致色散，損耗以及板上信號(hào)所見(jiàn)的任何纖維編織效應(yīng)。
FR4 PCB芯/預(yù)浸料編織及其重要的材料性能
根據(jù)樹脂含量，樹脂類型和玻璃編織，PCB芯和預(yù)浸料的介電常數(shù)可能略有不同。當(dāng)設(shè)計(jì)要求非常精確的阻抗匹配的電路板時(shí)，這可能是個(gè)問(wèn)題，因?yàn)檐壍郎系男盘?hào)所看到的有效介電常數(shù)取決于周圍材料的介電常數(shù)。并非所有的預(yù)浸料和芯材都相互兼容，并且具有不同介電常數(shù)的芯/預(yù)浸料疊堆使得很難預(yù)測(cè)互連中的確切介電常數(shù)和損耗（請(qǐng)參見(jiàn)下文）。
對(duì)于任何PCB芯或半固化片材料，高電壓下的爬電和泄漏電流都是一個(gè)問(wèn)題。銅的電遷移以及隨后的導(dǎo)電絲生長(zhǎng)是FR4材料的爬電規(guī)范的原因之一。該問(wèn)題以及對(duì)提高玻璃化轉(zhuǎn)變和分解溫度的期望促使了在FR4芯和層壓板中轉(zhuǎn)向使用非雙氰胺樹脂。與DICY樹脂相比，酚醛樹脂提供更高的分解溫度和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，同時(shí)在完全固化后還提供更高的絕緣電阻。
芯材和預(yù)浸料的有效介電常數(shù)
由于芯材和預(yù)浸料的結(jié)構(gòu)明顯不同，從信號(hào)完整性的角度來(lái)看，獲得介電常數(shù)和損耗角正切的準(zhǔn)確值非常重要。當(dāng)信號(hào)的上升時(shí)間很短時(shí)，您可能可以擺脫從營(yíng)銷數(shù)據(jù)表中獲取價(jià)值的想法。一旦您的膝蓋頻率或模擬信號(hào)達(dá)到GHz范圍，您就需要小心使用數(shù)據(jù)表中引用的值，尤其是在建模互連行為和使用阻抗控制的布線時(shí)。
數(shù)據(jù)表值的問(wèn)題在于，實(shí)際測(cè)得的介電常數(shù)取決于測(cè)試方法，布線幾何形狀，特定頻率（特別是在GHz范圍內(nèi)），樹脂含量甚至材料厚度。PCB芯/半固化片材料中的編織圖案使它們高度不均勻且各向異性，這意味著重要的材料特性在空間和方向上都不同。這就是我們產(chǎn)生纖維編織效應(yīng)（例如偏斜和纖維腔共振）的原因。
您可能會(huì)想，為什么在表征材料特性時(shí)層壓板的厚度很重要？原因是表征信號(hào)行為的重要參數(shù)是有效介電常數(shù)（請(qǐng)記住，這是一個(gè)復(fù)數(shù)！），這取決于材料中使用的走線尺寸和層厚度。看看這些關(guān)于微帶線和對(duì)稱帶狀線傳輸線的文章。
最后，要考慮的另一個(gè)重要參數(shù)是給定層壓板的銅粗糙度。但是，您可以使用一個(gè)簡(jiǎn)單的線性近似來(lái)說(shuō)明銅的粗糙度：
具有銅粗糙度的有效介電常數(shù)
在該方程式中，H是電介質(zhì)的厚度，zRMS是粗糙度的均方根變化（標(biāo)準(zhǔn)偏差）。RMS值應(yīng)由層壓板制造商指定。如果您為高速而設(shè)計(jì)，并且需要阻抗控制的布線，那么制造商應(yīng)該可以為您提供這些值。為了進(jìn)行建模，您需要使用正確的模型來(lái)描述粗糙度。
如果您正在以極高的速度/高頻和低信號(hào)電平工作，并且需要高度準(zhǔn)確的互連特性，那么很好的選擇是創(chuàng)建一個(gè)測(cè)試樣片并使用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量來(lái)確定有效介電常數(shù)。您的測(cè)試方法應(yīng)使用與所需互連幾何形狀緊密匹配的幾何形狀。這需要在前端進(jìn)行一些工作，但是準(zhǔn)確的測(cè)試和測(cè)量可以節(jié)省您在后端進(jìn)行的不必要的原型制作。