混合結(jié)構(gòu)對我的PCB設(shè)計有意義嗎？

在談?wù)摷夹g(shù)世界時，我們經(jīng)常關(guān)注電路和組件提供的性能，以跟上我們在商業(yè)業(yè)務(wù)和日常生活中使用的快節(jié)奏電子設(shè)備的速度。我們正在實現(xiàn)更高的處理器速度和頻率，這在當前的印刷電路板（PCB）上變得越來越苛刻。然而，我們還需要關(guān)注可能影響PCB設(shè)計的應(yīng)用規(guī)模。

設(shè)備變得越來越小，輕便和便攜。從超薄手機到可穿戴設(shè)備（如智能手表），這些產(chǎn)品都需要微電子制造能力與標準表面貼裝技術(shù)（SMT）相結(jié)合，以創(chuàng)建能夠可靠地滿足更高性能要求的PCB，而不會因PCB造成的操作限制較小的尺寸。SMT和微電子制造的合并也稱為混合PCB制造。

什么是混合PCB？

混合PCB涉及使用不同的材料而不是一種材料來創(chuàng)建襯底核心層以及介電層。使用不同材料的目的是嘗試將所有正極材料帶入PCB制造過程中（例如，更高的信號性能，更穩(wěn)定的介電常數(shù)和良好的電氣強度），同時減少一種材料可能產(chǎn)生的負面影響。通過使用具有更好的熱膨脹系數(shù)（CTE）率的異種材料來實現(xiàn)（例如，較差的傳熱能力）。

混合PCB可以使用哪種類型的材料？

當談?wù)摬煌牟牧蠒r，它們可能是放在同一PCB上的兩個完全不同的層壓板，例如FR-4和PTFE。這些層也可以由同一材料系列中的不同層壓板組成，例如Rogers Corporation提供的陶瓷填充的PTFE層壓層壓3000系列，因為制造商將對材料的配方進行微小的更改以創(chuàng)建各種介電常數(shù)率和耗散因數(shù)，因此該材料可用于特定應(yīng)用。

用于混合印刷電路板的異種材料的類型將取決于應(yīng)用程序的用途，其電源需求，環(huán)境因素以及其他設(shè)計方面。常用的材料類型包括：

FR-4

阻燃劑4（FR-4）是增強的玻璃環(huán)氧樹脂，在整個PCB行業(yè)中都是標準的。由于它的低成本，高介電強度和良好的電絕緣性，因此非常需要它，因為它還具有耐熱性和防潮性，因此可以在廣泛的應(yīng)用中使用。但是，有一些挫折使它們不適用于高數(shù)字電路或正在開發(fā)的較新的更高頻率（第五代或5G無線通信）。它在微波頻率下會遭受較高的介電損耗。

聚四氟乙烯

聚四氟乙烯（PTFE），也稱為聚四氟乙烯，是機織玻璃纖維/陶瓷填充塑料，在開發(fā)高速PCB時可以替代FR-4層壓板。它們的介電常數(shù)比約為3.5或更低，使其成為要求低信號損耗和更好的阻抗控制的高頻應(yīng)用的理想選擇。PTFE還具有較高的機械穩(wěn)定性，因此也可用于承受較高溫度的應(yīng)用。PTFE的缺點是它的價格比FR-4高，盡管它具有溫度穩(wěn)定性，但在較高溫度下會遭受介電損耗，并且由于是較軟的材料而導(dǎo)致尺寸變化。

聚酰亞胺

當聚酰亞胺用于剛性-柔性和柔性PCB時，我們經(jīng)常談?wù)撍?。然而，這種柔性聚合物薄膜也可以很好地用于混合，多層PCB應(yīng)用。該材料具有很高的耐化學性，在很寬的溫度范圍內(nèi)都能很好地工作，并具有良好的電性能。聚酰亞胺層壓板柔軟而輕巧，使其適合便攜式應(yīng)用。聚酰亞胺層壓板的主要缺點之一是成本，因為它們比FR-4和PTFE更昂貴。

為什么要使用不同的材料進行混合設(shè)計？

使用不同材料制造多層PCB的主要原因是通過將某些層壓板與其他層壓板提供的優(yōu)異特性相結(jié)合，來限制某些層壓板中較差的機械和結(jié)構(gòu)性能。例如，PTFE具有出色的電氣特性，但在某些溫度下仍會遇到結(jié)構(gòu)完整性問題。為了彌補這一缺點，制造商可以將聚酰亞胺結(jié)合到這些層中，因為它具有更好的機械性能。

使用多種材料組合的另一個原因是在降低成本的同時仍在必要時獲得必要的高性能。FR-4和PTFE通常會與混合設(shè)計結(jié)合使用。低成本的優(yōu)勢使FR-4可以為低速應(yīng)用提供足夠的優(yōu)勢，而PTFE將用于更關(guān)鍵的PCB功能。此外，FR-4可用于平整層壓板的厚度問題?？梢栽谀承┑胤教砑铀鳛槟z水，將所有東西固定在一起，并提供更均勻的印刷電路板。

設(shè)計混合PCB時應(yīng)了解的問題

在嘗試提供既能提供所有優(yōu)勢又能降低潛在成本的多層PCB時，在設(shè)計階段選擇材料時必須考慮幾個重要因素。每個層壓板（FR-4，FTPE和聚酰亞胺）的CTE值都不同。該值表示層壓材料在不同溫度下將經(jīng)歷的尺寸變化量。當沿著PCB的熱量增加時，如果CTE比率很高，則材料會膨脹。太大的膨脹會導(dǎo)致PCB層壓板翹曲，更快分解或分離。

對于多層混合PCB，層分離是必須解決的主要問題。由于制造商將使用具有不同CTE速率的不同材料，因此一種材料可能會在溫度變化時膨脹，而另一種材料會收縮或變化很小。因此，各層分離。基材上的銅界面也會發(fā)生分層。層壓板開始剝離。了解材料分層的時間對于處理應(yīng)用程序中的主要溫度波動至關(guān)重要，這樣就可以解決這些問題。

設(shè)計混合印刷電路板時的另一個重要問題涉及堆疊過程。為了滿足指定的整體厚度要求，同時又不影響所需的頻率，必須為每個面板和每塊提供合適的PCB厚度。然而，將用于混合式PCB的粘合劑系統(tǒng)會根據(jù)所使用的材料而有所不同。提供適當?shù)慕^緣量可以確保PCB的厚度正確，因為通常會使用無流動的FR-4預(yù)浸料。但是，添加的材料可能會使PCB對于實際應(yīng)用而言太厚。

最后，并非每個公司都具備創(chuàng)建混合PCB的知識或經(jīng)驗。PCB制造商的工藝可能會有所不同，并且可能會與特定的材料或電路板應(yīng)用（例如剛性撓性或柔性PCB）一起使用。此外，制造商將需要意識到在蝕刻多層PCB時發(fā)生的特定問題，例如蝕刻掉銅時的材料收縮（收縮），這可能會影響層壓板的制造過程。

在設(shè)計概念的早期階段與制造商交談可以使他們了解您的應(yīng)用程序需求，因為他們可以建議可以使用的材料類型。此外，您可以了解有關(guān)制造商的功能和機器流程的更多信息，以了解它們是否適合您的PCB項目。

什么時候應(yīng)該使用混合式PCB？

選擇合適的時間來構(gòu)建混合PCB將主要取決于應(yīng)用程序的功能，將出現(xiàn)的溫度，PCB頻率的類型以及成本?；旌蠘?gòu)建的重要方面之一是，當您開發(fā)具有所有所需電氣和機械特性的PCB時，它可以讓您擴展自己的創(chuàng)造力，從而可以提供更適合定制的定制PCB為應(yīng)用程序。

同樣，成本因素將在混合設(shè)計中起重要作用。尋求較低的PCB成本可能會導(dǎo)致質(zhì)量較低的電路板無法實現(xiàn)其所需功能。僅使用一種類型的PCB層壓板時，通常會發(fā)生此問題。相反，您可以獲得在不需要較高功能或頻率的地方使用較便宜的材料的成本優(yōu)勢，并在PCB的特定部分添加少量的較高成本的材料，以提高機械，電氣和熱性能。 。