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PCB中的介電材料有哪些類型？
來源：本站 時間：2020/03/17
介電材料傳導最少的電，并在兩個導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，您必須仔細考慮其特性。
以下是對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.化學性質
4.機械性能
熱性能
介電材料在PCB中的導電層（此處顯示為銅箔）之間提供絕緣。
玻璃化轉變溫度（Tg）
玻璃化轉變溫度或Tg是當聚合物鏈變得更易移動時PCB基板從玻璃態，剛性狀態轉變為軟化可變形狀態的溫度范圍。當材料冷卻回來時，其屬性恢復到其原始狀態。Tg以攝氏度（oC）為單位表示。
分解溫度（Td）
分解溫度或Td是PCB材料化學分解的溫度（材料損失至少5％的質量）。與Tg一樣，Td以攝氏度（oC）為單位表示。
材料的Td是組裝PCB時的重要上限，因為當材料達到或超過其Td時，其性能的變化是不可逆的。將其與Tg，玻璃化轉變溫度進行對比，一旦材料冷卻至Tg范圍以下，其性能將恢復到其原始狀態。
選擇一種材料，您可以在高于Tg但遠低于Td的溫度范圍內工作。PCB組裝期間的大多數焊接溫度都在200oC至250oC范圍內，因此請確保Td高于此值（幸運的是，大多數材料的Td大于320oC）。
熱膨脹系數（CTE）
熱膨脹系數（CTE）是PCB材料在加熱時的膨脹率。CTE表示為每加熱攝氏度的百萬分之一（ppm）。
當材料的溫度升高超過Tg時，CTE也會升高。
襯底的CTE通常遠高于銅，這可能在PCB被加熱時引起互連問題。
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方向上擴展。沿Z軸的CTE應盡可能低; 目標是每攝氏度低于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（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：
導熱系數（k）
導熱率或k是材料傳導熱量的特性; 低導熱率意味著低傳熱，而高導熱率意味著高傳熱。傳熱速率的測量值以瓦/米/攝氏度（W / M-℃）表示。
大多數PCB介電材料的導熱系數在0.3到0.6 W / M-oC范圍內，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
介電常數或相對介電常數（Er或Dk）
考慮到材料的介電常數對于信號完整性和阻抗考慮是重要的，這是高頻電性能的關鍵因素。大多數PCB材料的Er在2.5到4.5的范圍內。
介電常數隨頻率而變化，一般隨頻率的增加而減小; 一些材料的相對介電常數比其他材料的變化小。適用于高頻應用的材料是那些介電常數在很寬的頻率范圍內保持相對相同的材料 - 從幾百MHz到幾GHz。
介電損耗正切或耗散因數（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字電路的關鍵考慮因素，除非在1Ghz以上的非常高的頻率。然而，它是模擬信號的一個非常重要的參數，因為它決定了信號衰減的程度，從而影響信號走線各個點的信噪比。
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。
電氣強度
電氣強度測量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電介質的典型電氣強度值在800V /密耳至1500V /密耳的范圍內。
通過使PCB材料在標準AC電源頻率下經受短的高壓脈沖來確定電氣強度。
化學性質
易燃性規格（UL94）
UL94，或設備和器具部件用塑料材料可燃性安全標準測試，是塑料可燃性標準，將塑料從最低（阻燃性最低）到最高（最具阻燃性）分類。
該標準由Underwriters Laboratories（UL）定義。大多數PCB材料符合UL94 V-0標準; 這是它的要求
1.在施加試驗火焰后，試樣在燃燒時不會燃燒超過10秒。
2.對于每組5個樣品，10次火焰應用的總燃燒燃燒時間不得超過50秒。
3.試樣可能不會燃燒，燃燒或發光燃燒直至夾持夾。
4.試樣可能不會滴出火焰顆粒，這些顆粒會點燃位于試樣下方300 mm處的干燥吸收性外科棉。
5.在第二次取出試驗火焰后，試樣可能沒有持續超過30秒的發光燃燒。
吸濕
吸濕性是PCB材料浸入水中時抵抗水分吸收的能力。根據標準測試方法，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。大多數材料的吸濕值在0.01％至0.20％的范圍內。
吸濕會影響材料的熱性能和電性能，以及當PCB電路通電時材料抵抗導電陽極絲（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性的指標; 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PCB材料的二氯甲烷電阻值在0.01％至0.20％的范圍內。
機械性能
剝離強度
剝離強度是銅導體和介電材料之間的粘合強度的量度。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，或每個導體寬度的平均負載）。
在標準PCB制造工藝之后，對1OZ厚和~32至125毫米寬的銅跡線的樣品進行剝離強度測試。它在3個條件下完成：
?熱應力后：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
?暴露于工藝化學品后：在樣品暴露于化學或熱處理過程中的特定系列步驟之后
抗彎強度
彎曲強度是材料承受機械應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度。IPC-4101是用于剛性和多層印刷電路板的基礎材料規范，它提供了各種PCB材料的最小抗彎強度。
楊氏模數
楊氏模量或拉伸模量也測量PCB材料的強度。它測量特定方向上的應力/應變比，并且一些PCB層壓板制造商在楊氏模量而不是彎曲強度方面給出強度。與彎曲強度一樣，它以單位面積的力表示。
一些PCB層壓板制造商給出的PCB材料強度不是在彎曲強度方面，而是在楊氏模量方面，楊氏模量是特定方向上應力/應變比的度量。
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。
分層時間
分層時間可以測量材料在特定溫度下抵抗分層的時間 - 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，您必須仔細考慮其特性。
以下是對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.化學性質
4.機械性能
熱性能
介電材料在PCB中的導電層（此處顯示為銅箔）之間提供絕緣。
玻璃化轉變溫度（Tg）
玻璃化轉變溫度或Tg是當聚合物鏈變得更易移動時PCB基板從玻璃態，剛性狀態轉變為軟化可變形狀態的溫度范圍。當材料冷卻回來時，其屬性恢復到其原始狀態。Tg以攝氏度（oC）為單位表示。
分解溫度（Td）
分解溫度或Td是PCB材料化學分解的溫度（材料損失至少5％的質量）。與Tg一樣，Td以攝氏度（oC）為單位表示。
材料的Td是組裝PCB時的重要上限，因為當材料達到或超過其Td時，其性能的變化是不可逆的。將其與Tg，玻璃化轉變溫度進行對比，一旦材料冷卻至Tg范圍以下，其性能將恢復到其原始狀態。
選擇一種材料，您可以在高于Tg但遠低于Td的溫度范圍內工作。PCB組裝期間的大多數焊接溫度都在200oC至250oC范圍內，因此請確保Td高于此值（幸運的是，大多數材料的Td大于320oC）。
熱膨脹系數（CTE）
熱膨脹系數（CTE）是PCB材料在加熱時的膨脹率。CTE表示為每加熱攝氏度的百萬分之一（ppm）。
當材料的溫度升高超過Tg時，CTE也會升高。
襯底的CTE通常遠高于銅，這可能在PCB被加熱時引起互連問題。
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方向上擴展。沿Z軸的CTE應盡可能低; 目標是每攝氏度低于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（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：
導熱系數（k）
導熱率或k是材料傳導熱量的特性; 低導熱率意味著低傳熱，而高導熱率意味著高傳熱。傳熱速率的測量值以瓦/米/攝氏度（W / M-℃）表示。
大多數PCB介電材料的導熱系數在0.3到0.6 W / M-oC范圍內，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
介電常數或相對介電常數（Er或Dk）
考慮到材料的介電常數對于信號完整性和阻抗考慮是重要的，這是高頻電性能的關鍵因素。大多數PCB材料的Er在2.5到4.5的范圍內。
介電常數隨頻率而變化，一般隨頻率的增加而減小; 一些材料的相對介電常數比其他材料的變化小。適用于高頻應用的材料是那些介電常數在很寬的頻率范圍內保持相對相同的材料 - 從幾百MHz到幾GHz。
介電損耗正切或耗散因數（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字電路的關鍵考慮因素，除非在1Ghz以上的非常高的頻率。然而，它是模擬信號的一個非常重要的參數，因為它決定了信號衰減的程度，從而影響信號走線各個點的信噪比。
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。
電氣強度
電氣強度測量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電介質的典型電氣強度值在800V /密耳至1500V /密耳的范圍內。
通過使PCB材料在標準AC電源頻率下經受短的高壓脈沖來確定電氣強度。
化學性質
易燃性規格（UL94）
UL94，或設備和器具部件用塑料材料可燃性安全標準測試，是塑料可燃性標準，將塑料從最低（阻燃性最低）到最高（最具阻燃性）分類。
該標準由Underwriters Laboratories（UL）定義。大多數PCB材料符合UL94 V-0標準; 這是它的要求
1.在施加試驗火焰后，試樣在燃燒時不會燃燒超過10秒。
2.對于每組5個樣品，10次火焰應用的總燃燒燃燒時間不得超過50秒。
3.試樣可能不會燃燒，燃燒或發光燃燒直至夾持夾。
4.試樣可能不會滴出火焰顆粒，這些顆粒會點燃位于試樣下方300 mm處的干燥吸收性外科棉。
5.在第二次取出試驗火焰后，試樣可能沒有持續超過30秒的發光燃燒。
吸濕
吸濕性是PCB材料浸入水中時抵抗水分吸收的能力。根據標準測試方法，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。大多數材料的吸濕值在0.01％至0.20％的范圍內。
吸濕會影響材料的熱性能和電性能，以及當PCB電路通電時材料抵抗導電陽極絲（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性的指標; 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PCB材料的二氯甲烷電阻值在0.01％至0.20％的范圍內。
機械性能
剝離強度
剝離強度是銅導體和介電材料之間的粘合強度的量度。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，或每個導體寬度的平均負載）。
在標準PCB制造工藝之后，對1OZ厚和~32至125毫米寬的銅跡線的樣品進行剝離強度測試。它在3個條件下完成：
?熱應力后：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
?暴露于工藝化學品后：在樣品暴露于化學或熱處理過程中的特定系列步驟之后
抗彎強度
彎曲強度是材料承受機械應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度。IPC-4101是用于剛性和多層印刷電路板的基礎材料規范，它提供了各種PCB材料的最小抗彎強度。
楊氏模數
楊氏模量或拉伸模量也測量PCB材料的強度。它測量特定方向上的應力/應變比，并且一些PCB層壓板制造商在楊氏模量而不是彎曲強度方面給出強度。與彎曲強度一樣，它以單位面積的力表示。
一些PCB層壓板制造商給出的PCB材料強度不是在彎曲強度方面，而是在楊氏模量方面，楊氏模量是特定方向上應力/應變比的度量。
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。
分層時間
分層時間可以測量材料在特定溫度下抵抗分層的時間 - 樹脂與層壓板，箔或玻璃纖維的分離。分層可能是由熱沖擊，材料中的錯誤Tg，濕氣，不良的層壓過程引起的。
分層是樹脂與銅或增強材料的分離，分層時間測量在特定溫度下發生的時間。
