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PCB中的介電材料有哪些類型？
來源：本站 時(shí)間：2020/03/17
介電材料傳導(dǎo)最少的電，并在兩個(gè)導(dǎo)電銅層之間提供絕緣層。
最常見的介電材料是FR-4，但在為您的電路板選擇它之前，您必須仔細(xì)考慮其特性。
以下是對(duì)任何介電材料要考慮的最重要特性的概述：
1.熱性能
2.電氣特性
3.化學(xué)性質(zhì)
4.機(jī)械性能
熱性能
介電材料在PCB中的導(dǎo)電層（此處顯示為銅箔）之間提供絕緣。
玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）
玻璃化轉(zhuǎn)變溫度或Tg是當(dāng)聚合物鏈變得更易移動(dòng)時(shí)PCB基板從玻璃態(tài)，剛性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檐浕勺冃螤顟B(tài)的溫度范圍。當(dāng)材料冷卻回來時(shí)，其屬性恢復(fù)到其原始狀態(tài)。Tg以攝氏度（oC）為單位表示。
分解溫度（Td）
分解溫度或Td是PCB材料化學(xué)分解的溫度（材料損失至少5％的質(zhì)量）。與Tg一樣，Td以攝氏度（oC）為單位表示。
材料的Td是組裝PCB時(shí)的重要上限，因?yàn)楫?dāng)材料達(dá)到或超過其Td時(shí)，其性能的變化是不可逆的。將其與Tg，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度進(jìn)行對(duì)比，一旦材料冷卻至Tg范圍以下，其性能將恢復(fù)到其原始狀態(tài)。
選擇一種材料，您可以在高于Tg但遠(yuǎn)低于Td的溫度范圍內(nèi)工作。PCB組裝期間的大多數(shù)焊接溫度都在200oC至250oC范圍內(nèi)，因此請(qǐng)確保Td高于此值（幸運(yùn)的是，大多數(shù)材料的Td大于320oC）。
熱膨脹系數(shù)（CTE）
熱膨脹系數(shù)（CTE）是PCB材料在加熱時(shí)的膨脹率。CTE表示為每加熱攝氏度的百萬分之一（ppm）。
當(dāng)材料的溫度升高超過Tg時(shí)，CTE也會(huì)升高。
襯底的CTE通常遠(yuǎn)高于銅，這可能在PCB被加熱時(shí)引起互連問題。
沿X和Y軸的CTE通常較低 - 每攝氏度約10至20 ppm。這通常歸功于在X和Y方向上限制材料的編織玻璃，并且即使材料的溫度增加到Tg以上，CTE也沒有太大變化。
因此材料必須在Z方向上擴(kuò)展。沿Z軸的CTE應(yīng)盡可能低; 目標(biāo)是每攝氏度低于70 ppm，這將隨著材料超過Tg而增加。
材料的膨脹通過熱膨脹系數(shù)（CTE）來測量。該圖像顯示了Z方向的CTE。
CTE也可用于通過使用CTE曲線定位材料的Tg。繪制材料的溫度與位移，然后找到兩條曲線的截距：
導(dǎo)熱系數(shù)（k）
導(dǎo)熱率或k是材料傳導(dǎo)熱量的特性; 低導(dǎo)熱率意味著低傳熱，而高導(dǎo)熱率意味著高傳熱。傳熱速率的測量值以瓦/米/攝氏度（W / M-℃）表示。
大多數(shù)PCB介電材料的導(dǎo)熱系數(shù)在0.3到0.6 W / M-oC范圍內(nèi)，與銅相比非常低，其中k為386 W / M-oC。因此，PCB中的銅平面層將比通過介電材料更快地帶走更多的熱量。
電氣特性
介電常數(shù)或相對(duì)介電常數(shù)（Er或Dk）
考慮到材料的介電常數(shù)對(duì)于信號(hào)完整性和阻抗考慮是重要的，這是高頻電性能的關(guān)鍵因素。大多數(shù)PCB材料的Er在2.5到4.5的范圍內(nèi)。
介電常數(shù)隨頻率而變化，一般隨頻率的增加而減小; 一些材料的相對(duì)介電常數(shù)比其他材料的變化小。適用于高頻應(yīng)用的材料是那些介電常數(shù)在很寬的頻率范圍內(nèi)保持相對(duì)相同的材料 - 從幾百M(fèi)Hz到幾GHz。
介電損耗正切或耗散因數(shù)（Tanδ或Df）
材料的損耗角正切可以衡量材料的功率損失。材料的損耗角正切越低，損失的功率越少。大多數(shù)PCB材料的Tanδ范圍從最常用材料的0.02到非常低損耗的高端材料的0.001。它也隨頻率而變化，隨著頻率的增加而增加。
損耗角正切通常不是數(shù)字電路的關(guān)鍵考慮因素，除非在1Ghz以上的非常高的頻率。然而，它是模擬信號(hào)的一個(gè)非常重要的參數(shù)，因?yàn)樗鼪Q定了信號(hào)衰減的程度，從而影響信號(hào)走線各個(gè)點(diǎn)的信噪比。
體積電阻率（ρ）
體積電阻率或電阻率（ρ）是PCB材料的電阻或絕緣電阻的度量之一。材料的電阻率越高，它就越不容易移動(dòng)電荷，反之亦然。電阻率以歐姆 - 米（Ω-m）或歐姆 - 厘米（Ω-cm）表示
作為介電絕緣體，PCB材料需要具有非常高的電阻率值，大約10 10 -10 10兆歐 - 厘米。電阻率受水分和溫度的影響。
表面電阻率（ρS）
表面電阻率（ρS）是PCB材料表面的電阻或絕緣電阻的量度。與體積電阻率一樣，PCB材料需要具有非常高的表面電阻率值，大約為每平方10 10 -10 10兆歐姆。它也受到濕度和溫度的影響。
電氣強(qiáng)度
電氣強(qiáng)度測量PCB材料抵抗PCB Z方向（垂直于PCB平面）的電擊穿的能力。它以伏/密耳表示。PCB電介質(zhì)的典型電氣強(qiáng)度值在800V /密耳至1500V /密耳的范圍內(nèi)。
通過使PCB材料在標(biāo)準(zhǔn)AC電源頻率下經(jīng)受短的高壓脈沖來確定電氣強(qiáng)度。
化學(xué)性質(zhì)
易燃性規(guī)格（UL94）
UL94，或設(shè)備和器具部件用塑料材料可燃性安全標(biāo)準(zhǔn)測試，是塑料可燃性標(biāo)準(zhǔn)，將塑料從最低（阻燃性最低）到最高（最具阻燃性）分類。
該標(biāo)準(zhǔn)由Underwriters Laboratories（UL）定義。大多數(shù)PCB材料符合UL94 V-0標(biāo)準(zhǔn); 這是它的要求
1.在施加試驗(yàn)火焰后，試樣在燃燒時(shí)不會(huì)燃燒超過10秒。
2.對(duì)于每組5個(gè)樣品，10次火焰應(yīng)用的總?cè)紵紵龝r(shí)間不得超過50秒。
3.試樣可能不會(huì)燃燒，燃燒或發(fā)光燃燒直至夾持夾。
4.試樣可能不會(huì)滴出火焰顆粒，這些顆粒會(huì)點(diǎn)燃位于試樣下方300 mm處的干燥吸收性外科棉。
5.在第二次取出試驗(yàn)火焰后，試樣可能沒有持續(xù)超過30秒的發(fā)光燃燒。
吸濕
吸濕性是PCB材料浸入水中時(shí)抵抗水分吸收的能力。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)測試方法，在受控條件下由于吸水引起的PCB材料重量百分比增加給出。大多數(shù)材料的吸濕值在0.01％至0.20％的范圍內(nèi)。
吸濕會(huì)影響材料的熱性能和電性能，以及當(dāng)PCB電路通電時(shí)材料抵抗導(dǎo)電陽極絲（CAF）形成的能力。
二氯甲烷抗性
二氯甲烷耐受性是衡量材料耐化學(xué)性的指標(biāo); 具體而言，PCB材料抵抗二氯甲烷吸收的能力。
就像吸濕一樣，它表示PCB材料在受控條件下暴露于二氯甲烷或浸泡在二氯甲烷中的重量百分比增加。大多數(shù)PCB材料的二氯甲烷電阻值在0.01％至0.20％的范圍內(nèi)。
機(jī)械性能
剝離強(qiáng)度
剝離強(qiáng)度是銅導(dǎo)體和介電材料之間的粘合強(qiáng)度的量度。它表示分離角度為180度的粘合材料所需的每線性英寸的力/磅（PLI，或每個(gè)導(dǎo)體寬度的平均負(fù)載）。
在標(biāo)準(zhǔn)PCB制造工藝之后，對(duì)1OZ厚和~32至125毫米寬的銅跡線的樣品進(jìn)行剝離強(qiáng)度測試。它在3個(gè)條件下完成：
?熱應(yīng)力后：樣品在288oC的焊料上漂浮10秒鐘后
?在高溫下：將樣品暴露在125oC的熱空氣或流體中
?暴露于工藝化學(xué)品后：在樣品暴露于化學(xué)或熱處理過程中的特定系列步驟之后
抗彎強(qiáng)度
彎曲強(qiáng)度是材料承受機(jī)械應(yīng)力而不破裂的能力的量度。它以Kg /平方米或磅/平方英寸（KPSI）表示。
通常通過在其端部支撐PCB并將其裝載在中心來測試抗彎強(qiáng)度。IPC-4101是用于剛性和多層印刷電路板的基礎(chǔ)材料規(guī)范，它提供了各種PCB材料的最小抗彎強(qiáng)度。
楊氏模數(shù)
楊氏模量或拉伸模量也測量PCB材料的強(qiáng)度。它測量特定方向上的應(yīng)力/應(yīng)變比，并且一些PCB層壓板制造商在楊氏模量而不是彎曲強(qiáng)度方面給出強(qiáng)度。與彎曲強(qiáng)度一樣，它以單位面積的力表示。
一些PCB層壓板制造商給出的PCB材料強(qiáng)度不是在彎曲強(qiáng)度方面，而是在楊氏模量方面，楊氏模量是特定方向上應(yīng)力/應(yīng)變比的度量。
密度
PCB材料的密度以克/立方厘米（g / cc）或磅/立方英寸（磅/平方英寸）表示。
分層時(shí)間
分層時(shí)間可以測量材料在特定溫度下抵抗分層的時(shí)間 - 樹脂與層壓板，箔或玻璃纖維的分離。分層可能是由熱沖擊，材料中的錯(cuò)誤Tg，濕氣，不良的層壓過程引起的。
最常見的介電材料是FR-4，但在為您的電路板選擇它之前，您必須仔細(xì)考慮其特性。
以下是對(duì)任何介電材料要考慮的最重要特性的概述：
1.熱性能
2.電氣特性
3.化學(xué)性質(zhì)
4.機(jī)械性能
熱性能
介電材料在PCB中的導(dǎo)電層（此處顯示為銅箔）之間提供絕緣。
玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）
玻璃化轉(zhuǎn)變溫度或Tg是當(dāng)聚合物鏈變得更易移動(dòng)時(shí)PCB基板從玻璃態(tài)，剛性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檐浕勺冃螤顟B(tài)的溫度范圍。當(dāng)材料冷卻回來時(shí)，其屬性恢復(fù)到其原始狀態(tài)。Tg以攝氏度（oC）為單位表示。
分解溫度（Td）
分解溫度或Td是PCB材料化學(xué)分解的溫度（材料損失至少5％的質(zhì)量）。與Tg一樣，Td以攝氏度（oC）為單位表示。
材料的Td是組裝PCB時(shí)的重要上限，因?yàn)楫?dāng)材料達(dá)到或超過其Td時(shí)，其性能的變化是不可逆的。將其與Tg，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度進(jìn)行對(duì)比，一旦材料冷卻至Tg范圍以下，其性能將恢復(fù)到其原始狀態(tài)。
選擇一種材料，您可以在高于Tg但遠(yuǎn)低于Td的溫度范圍內(nèi)工作。PCB組裝期間的大多數(shù)焊接溫度都在200oC至250oC范圍內(nèi)，因此請(qǐng)確保Td高于此值（幸運(yùn)的是，大多數(shù)材料的Td大于320oC）。
熱膨脹系數(shù)（CTE）
熱膨脹系數(shù)（CTE）是PCB材料在加熱時(shí)的膨脹率。CTE表示為每加熱攝氏度的百萬分之一（ppm）。
當(dāng)材料的溫度升高超過Tg時(shí)，CTE也會(huì)升高。
襯底的CTE通常遠(yuǎn)高于銅，這可能在PCB被加熱時(shí)引起互連問題。
沿X和Y軸的CTE通常較低 - 每攝氏度約10至20 ppm。這通常歸功于在X和Y方向上限制材料的編織玻璃，并且即使材料的溫度增加到Tg以上，CTE也沒有太大變化。
因此材料必須在Z方向上擴(kuò)展。沿Z軸的CTE應(yīng)盡可能低; 目標(biāo)是每攝氏度低于70 ppm，這將隨著材料超過Tg而增加。
材料的膨脹通過熱膨脹系數(shù)（CTE）來測量。該圖像顯示了Z方向的CTE。
CTE也可用于通過使用CTE曲線定位材料的Tg。繪制材料的溫度與位移，然后找到兩條曲線的截距：
導(dǎo)熱系數(shù)（k）
導(dǎo)熱率或k是材料傳導(dǎo)熱量的特性; 低導(dǎo)熱率意味著低傳熱，而高導(dǎo)熱率意味著高傳熱。傳熱速率的測量值以瓦/米/攝氏度（W / M-℃）表示。
大多數(shù)PCB介電材料的導(dǎo)熱系數(shù)在0.3到0.6 W / M-oC范圍內(nèi)，與銅相比非常低，其中k為386 W / M-oC。因此，PCB中的銅平面層將比通過介電材料更快地帶走更多的熱量。
電氣特性
介電常數(shù)或相對(duì)介電常數(shù)（Er或Dk）
考慮到材料的介電常數(shù)對(duì)于信號(hào)完整性和阻抗考慮是重要的，這是高頻電性能的關(guān)鍵因素。大多數(shù)PCB材料的Er在2.5到4.5的范圍內(nèi)。
介電常數(shù)隨頻率而變化，一般隨頻率的增加而減小; 一些材料的相對(duì)介電常數(shù)比其他材料的變化小。適用于高頻應(yīng)用的材料是那些介電常數(shù)在很寬的頻率范圍內(nèi)保持相對(duì)相同的材料 - 從幾百M(fèi)Hz到幾GHz。
介電損耗正切或耗散因數(shù)（Tanδ或Df）
材料的損耗角正切可以衡量材料的功率損失。材料的損耗角正切越低，損失的功率越少。大多數(shù)PCB材料的Tanδ范圍從最常用材料的0.02到非常低損耗的高端材料的0.001。它也隨頻率而變化，隨著頻率的增加而增加。
損耗角正切通常不是數(shù)字電路的關(guān)鍵考慮因素，除非在1Ghz以上的非常高的頻率。然而，它是模擬信號(hào)的一個(gè)非常重要的參數(shù)，因?yàn)樗鼪Q定了信號(hào)衰減的程度，從而影響信號(hào)走線各個(gè)點(diǎn)的信噪比。
體積電阻率（ρ）
體積電阻率或電阻率（ρ）是PCB材料的電阻或絕緣電阻的度量之一。材料的電阻率越高，它就越不容易移動(dòng)電荷，反之亦然。電阻率以歐姆 - 米（Ω-m）或歐姆 - 厘米（Ω-cm）表示
作為介電絕緣體，PCB材料需要具有非常高的電阻率值，大約10 10 -10 10兆歐 - 厘米。電阻率受水分和溫度的影響。
表面電阻率（ρS）
表面電阻率（ρS）是PCB材料表面的電阻或絕緣電阻的量度。與體積電阻率一樣，PCB材料需要具有非常高的表面電阻率值，大約為每平方10 10 -10 10兆歐姆。它也受到濕度和溫度的影響。
電氣強(qiáng)度
電氣強(qiáng)度測量PCB材料抵抗PCB Z方向（垂直于PCB平面）的電擊穿的能力。它以伏/密耳表示。PCB電介質(zhì)的典型電氣強(qiáng)度值在800V /密耳至1500V /密耳的范圍內(nèi)。
通過使PCB材料在標(biāo)準(zhǔn)AC電源頻率下經(jīng)受短的高壓脈沖來確定電氣強(qiáng)度。
化學(xué)性質(zhì)
易燃性規(guī)格（UL94）
UL94，或設(shè)備和器具部件用塑料材料可燃性安全標(biāo)準(zhǔn)測試，是塑料可燃性標(biāo)準(zhǔn)，將塑料從最低（阻燃性最低）到最高（最具阻燃性）分類。
該標(biāo)準(zhǔn)由Underwriters Laboratories（UL）定義。大多數(shù)PCB材料符合UL94 V-0標(biāo)準(zhǔn); 這是它的要求
1.在施加試驗(yàn)火焰后，試樣在燃燒時(shí)不會(huì)燃燒超過10秒。
2.對(duì)于每組5個(gè)樣品，10次火焰應(yīng)用的總?cè)紵紵龝r(shí)間不得超過50秒。
3.試樣可能不會(huì)燃燒，燃燒或發(fā)光燃燒直至夾持夾。
4.試樣可能不會(huì)滴出火焰顆粒，這些顆粒會(huì)點(diǎn)燃位于試樣下方300 mm處的干燥吸收性外科棉。
5.在第二次取出試驗(yàn)火焰后，試樣可能沒有持續(xù)超過30秒的發(fā)光燃燒。
吸濕
吸濕性是PCB材料浸入水中時(shí)抵抗水分吸收的能力。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)測試方法，在受控條件下由于吸水引起的PCB材料重量百分比增加給出。大多數(shù)材料的吸濕值在0.01％至0.20％的范圍內(nèi)。
吸濕會(huì)影響材料的熱性能和電性能，以及當(dāng)PCB電路通電時(shí)材料抵抗導(dǎo)電陽極絲（CAF）形成的能力。
二氯甲烷抗性
二氯甲烷耐受性是衡量材料耐化學(xué)性的指標(biāo); 具體而言，PCB材料抵抗二氯甲烷吸收的能力。
就像吸濕一樣，它表示PCB材料在受控條件下暴露于二氯甲烷或浸泡在二氯甲烷中的重量百分比增加。大多數(shù)PCB材料的二氯甲烷電阻值在0.01％至0.20％的范圍內(nèi)。
機(jī)械性能
剝離強(qiáng)度
剝離強(qiáng)度是銅導(dǎo)體和介電材料之間的粘合強(qiáng)度的量度。它表示分離角度為180度的粘合材料所需的每線性英寸的力/磅（PLI，或每個(gè)導(dǎo)體寬度的平均負(fù)載）。
在標(biāo)準(zhǔn)PCB制造工藝之后，對(duì)1OZ厚和~32至125毫米寬的銅跡線的樣品進(jìn)行剝離強(qiáng)度測試。它在3個(gè)條件下完成：
?熱應(yīng)力后：樣品在288oC的焊料上漂浮10秒鐘后
?在高溫下：將樣品暴露在125oC的熱空氣或流體中
?暴露于工藝化學(xué)品后：在樣品暴露于化學(xué)或熱處理過程中的特定系列步驟之后
抗彎強(qiáng)度
彎曲強(qiáng)度是材料承受機(jī)械應(yīng)力而不破裂的能力的量度。它以Kg /平方米或磅/平方英寸（KPSI）表示。
通常通過在其端部支撐PCB并將其裝載在中心來測試抗彎強(qiáng)度。IPC-4101是用于剛性和多層印刷電路板的基礎(chǔ)材料規(guī)范，它提供了各種PCB材料的最小抗彎強(qiáng)度。
楊氏模數(shù)
楊氏模量或拉伸模量也測量PCB材料的強(qiáng)度。它測量特定方向上的應(yīng)力/應(yīng)變比，并且一些PCB層壓板制造商在楊氏模量而不是彎曲強(qiáng)度方面給出強(qiáng)度。與彎曲強(qiáng)度一樣，它以單位面積的力表示。
一些PCB層壓板制造商給出的PCB材料強(qiáng)度不是在彎曲強(qiáng)度方面，而是在楊氏模量方面，楊氏模量是特定方向上應(yīng)力/應(yīng)變比的度量。
密度
PCB材料的密度以克/立方厘米（g / cc）或磅/立方英寸（磅/平方英寸）表示。
分層時(shí)間
分層時(shí)間可以測量材料在特定溫度下抵抗分層的時(shí)間 - 樹脂與層壓板，箔或玻璃纖維的分離。分層可能是由熱沖擊，材料中的錯(cuò)誤Tg，濕氣，不良的層壓過程引起的。
分層是樹脂與銅或增強(qiáng)材料的分離，分層時(shí)間測量在特定溫度下發(fā)生的時(shí)間。
