高多層PCB板材考慮因素介紹

大家可能在餐飲、銀行等場所見過有問題的LED燈板，要么不顯示信息，要么頻繁閃爍。為什么LED燈板會出現(xiàn)問題？原因之一可能是其所用的PCB的板材質(zhì)量有問題。板材作為PCB產(chǎn)品的基礎(chǔ)，不僅是其核心主要原材料，而且占PCB成本的60%左右。由此可見，板材的重要性不言而喻。所謂，好食材才能做出好食物。好板材才能保證好板子。因此，做PCB，選好板材是關(guān)鍵。

做高多層PCB，板材是關(guān)鍵

尤其是高多層PCB。因其集成度高、尺寸小、信號完整性優(yōu)良以及出色的熱管理能力，廣泛應(yīng)用于消費電子、通訊設(shè)備、汽車電子、工業(yè)控制與自動化、醫(yī)療設(shè)備、航空航天和能源設(shè)備等多個領(lǐng)域。

以汽車電子領(lǐng)域為例。隨著汽車電子技術(shù)的快速發(fā)展，高多層PCB在汽車行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。其高密度布局和可靠性能滿足汽車電子對于小型化、高可靠性和環(huán)境適應(yīng)性的需求。所以，高多層PCB被應(yīng)用于車載娛樂系統(tǒng)、駕駛輔助系統(tǒng)、發(fā)動機控制單元和安全系統(tǒng)等。

與單層或雙層PCB相比，高多層PCB面臨著更高的復(fù)雜性和性能挑戰(zhàn)。這主要體現(xiàn)在三方面：一是高頻信號傳輸特性要求。高多層PCB常用于需要高頻信號傳輸?shù)膽?yīng)用，如通信設(shè)備和高速數(shù)字信號處理。這要求PCB必須有更好的介電性能和信號傳輸速度，以減少信號損耗和噪音。

二是熱管理需求。高多層PCB通常用于高功率電子設(shè)備，需要有效的熱管理措施保證元件正常工作溫度。這就要求PCB有更好的導(dǎo)熱性能和熱膨脹系數(shù)控制，以優(yōu)化熱傳導(dǎo)和分布，避免熱點和熱應(yīng)力問題。

三是機械強度和穩(wěn)定性要求。高多層PCB通常有著較大的尺寸和較高的層數(shù)，因此需要更高的機械強度和穩(wěn)定性。板材的剛性和耐久性對于抵抗振動、沖擊和彎曲應(yīng)力至關(guān)重要，以確保高多層PCB的可靠性和壽命。

由此可見，高多層PCB對板材的要求更高，包括在高頻信號傳輸、熱管理和機械強度穩(wěn)定性等方面的特殊需求。

高多層PCB板材的分類

覆銅板（CCL-Copper Clad Laminate），在PCB多層板生產(chǎn)中也稱為芯板（CORE），是高多層PCB的關(guān)鍵原材料。它是由銅箔、樹脂、玻璃纖維布和其他功能性增強添加物組成的。通過將增強材料浸入樹脂，并在一面或兩面貼上銅箔，經(jīng)過熱壓處理形成板狀材料，這就是我們所說的覆銅箔層壓板。在分類上，板材可根據(jù)材質(zhì)、成品的軟硬度、結(jié)構(gòu)和等級等不同維度進(jìn)行區(qū)分。

具體來說，板材可以分為有機材質(zhì)和無機材質(zhì)兩大類。

根據(jù)成品的軟硬度，板材分為硬板、軟板和軟硬結(jié)合板。硬板是最常見的類型，用于大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)電子設(shè)備；軟板靈活性高，適用于需要彎曲的應(yīng)用場景；軟硬結(jié)合板結(jié)合了硬板的穩(wěn)定性和軟板的靈活性，適用于復(fù)雜的電子產(chǎn)品設(shè)計。

在結(jié)構(gòu)上，板材可分為單面板、雙面板、多層板和HDI（高密度互連板，特點是盲埋孔技術(shù)）。單面板只有一面帶有導(dǎo)電路徑，雙面板的兩面都布有電路；多層板通過多層導(dǎo)電圖層增加電路密度；HDI板則通過盲埋孔技術(shù)實現(xiàn)更高的線路密度和更小的電子設(shè)備尺寸。

按照板材等級劃分，PCB板材包括94HB（最低阻燃等級）、94V0（更高的阻燃性能）等。其中，94V0級別下，又細(xì)分為FR1、22F、CEM-1、CEM-3和FR-4等材料類型。FR1主要用于單面板；22F常用于成本敏感型產(chǎn)品；CEM-1和CEM-3適用于雙面板應(yīng)用；FR-4則因其優(yōu)良的電氣絕緣性能、高機械強度和良好的濕熱穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于多層板制造。

如果按照基板的增強材料不同，還可分為五大類：紙基、玻璃纖維布基、復(fù)合基（CM系列）、積層多層板基和特殊材料基（陶瓷、金屬芯基等）。

這里，尤其要說一下FR4。

它是一種常見的玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂基板材料，具備優(yōu)異的電絕緣性能、良好的機械強度與剛性、耐高溫特性和易于加工的優(yōu)點。同時，相比其他材料，F(xiàn)R4更為經(jīng)濟。目前，采用FR4材料的PCB是當(dāng)前全球產(chǎn)量最大、使用最多的一類PCB。在討論高多層PCB時，我們主要關(guān)注使用FR4材料的產(chǎn)品。

板材選型的內(nèi)在因素

在PCB下單時，您可能會遇到所需板材缺貨的情況。這時，選擇具有相同性能等級的替代材料就顯得尤為重要。高多層PCB的板材選擇不僅受到材料本身和內(nèi)在特性的影響，還包括外部因素。內(nèi)部因素涵蓋一系列重要的考量，如外觀要求、尺寸標(biāo)準(zhǔn)、電氣性能、熱性能和物理（機械）性能等。

其中，外觀要求，包括金屬箔面的凹痕、皺折、劃痕、氣泡等缺陷，這些都可能影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。尺寸要求涉及板材的長度、寬度、對角線偏差、翹曲度等，精確的尺寸對于保證PCB的裝配精度和性能至關(guān)重要。

接下來，我們重點介紹下電氣性能、熱性能和物理（機械）性能。

電氣性能

電氣性能有介電常數(shù)（Dk）、介質(zhì)損耗角正切（DF）、體積電阻、表面電阻、絕緣電阻、耐電弧性、擊穿電壓、電氣強度和相對漏電起痕指數(shù)（CTI）。

其中，介電常數(shù)（Dk）、介質(zhì)損耗角正切（DF），和相對漏電起痕指數(shù)（CTI）是在選擇PCB板材時，用戶最為關(guān)心的電氣性能參數(shù)。

介電常數(shù)，即Dk，英文全稱Dielectric constant。它是描述材料存儲電荷能力的物理屬性，對電容器性能和電場分布有著顯著影響。具有高介電常數(shù)的材料能夠存儲更多的電荷，這對于需要高電容性能的應(yīng)用尤為重要。此外，介電常數(shù)還決定了電場在介質(zhì)中的傳播速度和集中程度。舉例來說，F(xiàn)R4板材的介電常數(shù)一般在4.2到4.6之間，而鐵氟龍介電常數(shù)在2.0到3.0范圍內(nèi)，綠油介電常數(shù)則位于3.4到3.8之間。

某廠商的產(chǎn)品技術(shù)資料

介質(zhì)損耗角正切，即DF，英文全稱Dissipationfactor，或稱為損耗因子，是描述介質(zhì)材料在交流電場中能量損失的重要物理參數(shù)。它反映了材料中電場能量損失與儲存能量之比，與材料的分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成和溫度等因素緊密相關(guān)。在電子器件和電路設(shè)計中，DF是關(guān)鍵參數(shù)，直接影響信號的帶寬、衰減和相位失真，尤其在高頻電路和通信系統(tǒng)中至關(guān)重要。選擇低DF值的材料可以顯著減少信號損失并保持良好的信號完整性，例如，像天線板一般選用PTFE這種低損耗的材料。 ? 相對漏電起痕指數(shù)（CTI）同樣非常重要，它是衡量絕緣材料在電弧作用下的抗電擊穿能力。CTI是評估材料耐電弧性能的關(guān)鍵參數(shù)，對確定材料的安全性和可靠性在特定環(huán)境條件下尤為關(guān)鍵。CTI值的高低通常以標(biāo)準(zhǔn)化分類表示，數(shù)值越高，材料的電弧性能越好。

某廠商的產(chǎn)品技術(shù)資料

CTI值的高低直接關(guān)聯(lián)到材料的絕緣性能和耐電弧能力，其中更高的CTI值意味著材料能在更高電壓下維持其絕緣性，展現(xiàn)出更佳的耐電弧性能。這一特性對于電氣設(shè)備和電子產(chǎn)品來說至關(guān)重要，因為它保證了在電弧事件發(fā)生時，材料能提供充分的保護(hù)，從而大幅降低發(fā)生火災(zāi)和其他意外事故的風(fēng)險。因此，在設(shè)計和選擇電子材料時，高CTI值的材料往往被優(yōu)先考慮，以確保整個系統(tǒng)的安全和可靠性。

通常，CTI值以標(biāo)準(zhǔn)化的分類進(jìn)行表述，其中數(shù)值越高，表示材料具有更好的電弧性能。目前，嘉立創(chuàng)所有材料CTI均是3級，范圍在175-249V之間。

熱性能

熱性能主要有Tg值、Td值、CTE、熱應(yīng)力、燃燒性等。

Tg值，又叫玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，是衡量PCB板材熱性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一。它標(biāo)志著材料（如PCB板材）隨著溫度升高，從硬而脆的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變到柔軟的橡膠態(tài)的臨界點。在PCB制造領(lǐng)域，這種玻璃態(tài)物質(zhì)通常指的是構(gòu)成介質(zhì)層的樹脂或樹脂與玻纖布的混合物。

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Tg值對PCB的可靠性和性能有著重大影響。當(dāng)PCB在其操作溫度范圍內(nèi)工作時，保持材料處于玻璃態(tài)是非常重要的，可以確保電路板的機械和電氣性能穩(wěn)定。如果PCB在使用過程中超過了其Tg值，那么板材可能會變軟，導(dǎo)致尺寸穩(wěn)定性下降，甚至可能影響到導(dǎo)線和焊點的完整性，從而降低整個電路板的性能和可靠性。

常用普通板材的Tg要求大于135℃，中Tg要求大于150℃，高Tg要求大于170℃。Tg越高，板材的耐熱性、尺寸穩(wěn)定性越好。

Td值，即熱分解溫度，英文全稱Thermal Decomposition Temperature。它是指在高溫條件下，材料開始發(fā)生化學(xué)分解的溫度。這是衡量板材在高溫環(huán)境下熱穩(wěn)定性和耐高溫性能的重要指標(biāo)。在高功率或高溫度條件下工作的電子設(shè)備中，PCB板材若具有較高的Td值，則意味著它能夠在不分解或損失性能的情況下，更好地承受這些條件，確保電路的長期穩(wěn)定運行。

某廠商的產(chǎn)品技術(shù)資料 ? Td值越高，意味著板材通?？梢猿惺芨叩臏囟群蜔釕?yīng)力，保持電路的正常功能并延長設(shè)備的使用壽命。 ? CTE，即熱膨脹系數(shù)，英文全稱Coefficient of Thermal Expansion。它用于描述PCB板材在溫度變化下的尺寸變化情況。溫度每升高一度，材料就會相應(yīng)地膨脹或在冷卻時收縮。由于PCB板材通常由樹脂、銅箔和玻璃纖維增強材料等多種材料組成，這些材料的CTE值各不相同，導(dǎo)致溫度變化時它們的膨脹或收縮速度不一致。這種不匹配的熱膨脹行為可能會引起板材的尺寸不穩(wěn)定、應(yīng)力集中，甚至在焊接等后續(xù)加工過程中出現(xiàn)問題。

某廠商的產(chǎn)品技術(shù)資料 ?

CTE值越低，尺寸穩(wěn)定性越好，反之越差。

物理（機械）性能

在物理機械性能方面，PCB板材的質(zhì)量和適用性受多種因素影響，包括銅箔剝離強度、抗彎強度、吸水率、可燃性等。

此外，CAF也尤為重要。CAF現(xiàn)象，又稱為燈芯效應(yīng)，全稱Conductive Anodic Filament。它指的是，在高溫、高濕、高壓等條件下，產(chǎn)品經(jīng)過長期使用，板材的玻璃纖維作為通道，導(dǎo)致孔壁的銅箔生長形成細(xì)長的導(dǎo)電絲狀物，這些絲狀物最終可能在相鄰孔之間形成短路或微短現(xiàn)象。更加棘手的是，當(dāng)PCB產(chǎn)品經(jīng)過重新烘烤后，這種故障可能暫時消失，使得問題難以被立即識別和解決。導(dǎo)致CAF發(fā)生的原因有多種多樣，包括材料、鉆孔、電鍍、資料設(shè)計（孔間距小于IPC2級標(biāo)準(zhǔn)）。根據(jù)IPC-A-600J標(biāo)準(zhǔn)中的3.3.4條款，芯吸圖示如下：

板材選型的外在因素

在選擇PCB板材時，除了考慮材料的內(nèi)在特性之外，外部因素也扮演著重要的角色，這包括法律法規(guī)、成本、交期、以及板材品牌等。

在法律法規(guī)方面，歐盟RoHS指令、WEEE指令和歐盟REACH法規(guī)-No SVHCs 值得關(guān)注。

RoHS指令目的是限制和控制電子和電氣設(shè)備中使用的有害物質(zhì)，從而減少這些物質(zhì)對環(huán)境和人類健康的潛在危害。

RoHS認(rèn)證標(biāo)志

它限制了在電子和電氣設(shè)備中使用的六種有害物質(zhì)，即鉛（0.1%）、汞（0.1%）、鎘（最大允許含量0.01%）、六價鉻（0.1%）、多溴聯(lián)苯（PBB）（0.1%）和多溴二苯醚（PBDE）（最大允許含量0.1%），并要求電子產(chǎn)品和組件中這些有害物質(zhì)的含量不能超過特定的限制值。 ? 該法規(guī)已于2006年7月1日正式實施。此后，歐盟又要求新增4項鄰苯二甲酸酯的限制用量：鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯 (DEHP) （0.1％）、鄰苯二甲酸丁酯苯甲酯 (BBP) （0.1％）、鄰苯二甲酸二丁酯 (DBP) （0.1％）、鄰苯二甲酸二異丁酯 (DIBP) （0.1％）。

同時，歐盟通過WEEE指令，促進(jìn)廢棄電子電氣設(shè)備的回收和再生，減少廢棄物對環(huán)境的影響。

歐盟REACH法規(guī)-No SVHCs 則是歐盟制定的一項化學(xué)品管理法規(guī)，主要關(guān)注化學(xué)物質(zhì)對環(huán)境和人體健康的潛在影響，特別是那些被認(rèn)為是極高關(guān)注物質(zhì)（SVHCs）的化學(xué)品。。它要求企業(yè)對其生產(chǎn)、進(jìn)口和使用的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行注冊、評估和授權(quán)。

該法規(guī)對PCB板材所使用的化學(xué)物質(zhì)提出了要求。供應(yīng)商必須向歐洲化學(xué)品管理局（ECHA）注冊其所生產(chǎn)或進(jìn)口的化學(xué)物質(zhì)。此外，一些特定的有害物質(zhì)可能會受到限制或需要經(jīng)過授權(quán)才能使用。 ? 為了讓大家更好地查閱歐盟RoHS指令、WEEE指令和歐盟REACH法規(guī)-No SVHCs，附上三個法規(guī)的中文版（出自商務(wù)部“出口商品技術(shù)指南”）：

歐盟新RoHS指令（2018版）：

http://www.mofcom.gov.cn/article/ckzn/euRoHS.shtml

歐盟WEEE指令（2019版）：

http://www.mofcom.gov.cn/article/ckzn/euweee.shtml

歐盟REACH法規(guī)（2021版）：

http://www.mofcom.gov.cn/article/ckzn/

UL認(rèn)證和板材品牌

值得一提的是UL認(rèn)證。它相當(dāng)于PCB板材的學(xué)歷認(rèn)證。UL認(rèn)證是由全球檢測認(rèn)證機構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)機構(gòu)美國UL有限責(zé)任公司創(chuàng)立。作為一個獨立的第三方認(rèn)證機構(gòu)，專門負(fù)責(zé)對各種產(chǎn)品的安全性和符合性進(jìn)行評估。

UL認(rèn)證覆蓋的范圍廣泛，對于PCB板材而言，它包含電氣安全、燃燒特性、環(huán)境適應(yīng)性等多個維度的評估。擁有UL標(biāo)志的PCB板材，表明其已經(jīng)經(jīng)過嚴(yán)格的測試和評估，符合特定的UL安全標(biāo)準(zhǔn)。這對于需要確保電子產(chǎn)品在全球市場上滿足最高安全和性能標(biāo)準(zhǔn)的制造商來說尤其重要。

嘉立創(chuàng)已通過UL認(rèn)證，編號為E479892，這意味著嘉立創(chuàng)產(chǎn)品符合國際安全標(biāo)準(zhǔn)，并滿足客戶和市場的需求。

如果不想細(xì)究，從板材品牌入手同樣是一種方式。常見板材品牌有建滔集團、生益科技、南亞塑膠、聯(lián)茂電子、金安國紀(jì)、臺燿科技、南亞新材、斗山電子、昭和電工、浙江華正新材料、航宇、宏瑞興、騰輝電子、超聲電子、長春塑料、AGC、住友電木株式會社、長興、廣東超華科技、常州中英科技、羅杰斯等。

CCL供應(yīng)商市場份額（2021）

像嘉立創(chuàng)，6層板使用建滔和中國南亞板材，品質(zhì)高，有保障。因為建滔板材使用高質(zhì)量的玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂（FR-4）作為基材，用高純度的銅箔作為導(dǎo)電層，且經(jīng)過嚴(yán)格的工藝處理，因此具有質(zhì)量高、性能好的特點，被廣泛應(yīng)用于電子行業(yè)。而中國臺灣南亞同樣在市場上有不小的知名度，其提供的板料不僅具有良好的電氣性能、較高的強度和剛性，而且耐高溫、耐化學(xué)性能，能提高產(chǎn)品的可靠性和壽命。

針對8層板和更高層，嘉立創(chuàng)使用中國臺灣南亞和生益板料。其中，作為國內(nèi)知名的覆銅板供應(yīng)商，生益板料具有高標(biāo)準(zhǔn)、高品質(zhì)、高性能、高可靠性的特點，行業(yè)認(rèn)可度高，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、醫(yī)療儀表/器械、消費電子、汽車等電子產(chǎn)品中。

在嘉立創(chuàng)，當(dāng)你下單時，系統(tǒng)有一個板材選項，用戶可以選擇指定板材品牌及其型號，還能快速了解其Tg值和阻燃性。

嘉立創(chuàng)高多層PCB下單-板材選項

如上圖所示，列出的四個選項均是采用真A級板材。真A級意味著沒有偷布，填料30%左右，阻燃板材。如果達(dá)不到這三點，那就是“假A級”板材。同時，我們還可以看到，嘉立創(chuàng)采用的板材均是94V0，即最高的阻燃等級。

根據(jù)IPC-4101C的規(guī)定，當(dāng)試樣按表3-1和UL94檢驗時，燃燒等級應(yīng)符合規(guī)格單和表3-9的要求。供選條件、24h對于本規(guī)范所述的材料是可以接受的。如果相關(guān)規(guī)格單種規(guī)定為不適用、不要求或由供需雙方商定，在鑒定過程中，該材料必須進(jìn)行燃燒性試驗，并將結(jié)果記錄。若規(guī)格單顯示燃燒機理為“溴，符合RoHS”，意思是溴阻燃劑是符合歐盟RoHS法規(guī)要求的。

表3-9 燃燒性要求

此外，當(dāng)你在打樣前，還能免費使用嘉立創(chuàng)板材質(zhì)量檢測服務(wù)，提前規(guī)避板材隱患，為產(chǎn)品保駕護(hù)航。

嘉立創(chuàng)板材檢測服務(wù)

檢測服務(wù)面向所有注冊用戶免費開放，可檢測任何PCB供應(yīng)商的產(chǎn)品。

當(dāng)然，高多層PCB的板材選擇取決于很多因素，比如成本、板材的Dk和Df值、法律法規(guī)要求等。有網(wǎng)友表示：“板材選擇考慮很多因素。首先，要匹配產(chǎn)品的性能，如電氣性能。（焊接和工作）溫度、電氣 性能、結(jié)構(gòu)強度和電路密度以及信號工作頻率的不同對板材的要求也不同。其次，可制造性，比如多次壓合性能、耐CAF、耐熱性、機械韌性、防火等級、Tg、Dk、Df、熱膨脹系數(shù)、材料厚度及膠含量公差小。第三，交期、價格、量產(chǎn)成本（特別是消費類電子產(chǎn)品注重降低PCB成本）以及板材品牌。除軍工類產(chǎn)品，產(chǎn)品性能優(yōu)先，價格次要之外，選擇PCB板材必須在滿足設(shè)計需求、可量產(chǎn)性和成本間取得平衡。第四，法律法規(guī)的適用性，如歐盟的RoHS指令。最終，高多層PCB板材選型要具體項目具體分析，如果需要更準(zhǔn)確的選擇，可以利用仿真評估或測試驗證手段。

審核編輯：黃飛

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