新型PCB材料：如何使用它們

在過(guò)去的幾年中，我們見(jiàn)證了幾種電子應(yīng)用的重大進(jìn)步，從而引入了越來(lái)越多的創(chuàng)新技術(shù)。取得最大發(fā)展的部門包括移動(dòng)通信（智能手機(jī)和平板電腦），可穿戴設(shè)備（包括虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備）和電子醫(yī)療設(shè)備。汽車和航空航天業(yè)也取得了其他重要進(jìn)展。來(lái)自創(chuàng)新的推力，再加上新制造技術(shù)的可用性，已允許引入新材料，以生產(chǎn)更薄，更輕，以及必要時(shí)能夠以不斷提高的速度和頻率傳輸電信號(hào)的柔性印刷電路。

對(duì)新材料的需求

傳統(tǒng)的材料和基材包括玻璃纖維織物，塑料（樹脂）和銅。在印刷電路板的制造中使用了不同類型的樹脂和玻璃，它們的組合方式會(huì)影響材料的電氣和機(jī)械性能。定義材料的兩個(gè)主要電特性是介電常數(shù)（Dk）和損耗角正切（也稱為耗散因數(shù)（Df）），兩者都很大程度上取決于材料或基材所經(jīng)受的溫度和頻率。介電常數(shù)規(guī)定了當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)體施加一定的電壓時(shí)它們可以保持的電荷量。常數(shù)Dk還確定給定電流在導(dǎo)體中流動(dòng)的速率。相反，損耗角正切提供了介電材料吸收的電磁能的量度。

最現(xiàn)代的電子應(yīng)用需要的材料的特性與PCB制造中傳統(tǒng)使用的材料和基板所提供的特性不同。即使決定選擇的原因有很多，并且嚴(yán)格取決于特定的應(yīng)用程序，但可能的列表包括：

l需要管理頻率更高的電信號(hào);

l增加電子元件的集成密度;

l許多組件的新軟件包的可用性，對(duì)路由技術(shù)產(chǎn)生影響；

l需要將功率損耗降至最低，尤其是在低功率或電池供電的應(yīng)用中；

l需要為PCB提供足夠的熱量管理，以最大程度地減少散發(fā)的熱量；

l需要管理設(shè)備連接性（通常是無(wú)線），這是PCB設(shè)計(jì)的關(guān)鍵方面。

跨PCB傳輸?shù)?a target="_blank">信號(hào)頻率的增加似乎無(wú)法阻止。此功能，加上越來(lái)越低的電源電壓（特別是對(duì)于高度集成的數(shù)字組件，例如MCU，SoC和FPGA），正在造成嚴(yán)重的信號(hào)完整性問(wèn)題。這種類型的應(yīng)用包括光纖傳輸卡和設(shè)備，計(jì)算機(jī)以及大多數(shù)配備處理單元的嵌入式系統(tǒng)。

新材料和基材

基于上一段中考慮的因素，我們可以確定兩個(gè)關(guān)鍵因素，這些因素決定了最適合特定應(yīng)用的材料和基板的選擇：PCB可以承受的最大功率和熱量。盡管此規(guī)則是通用的，并且適用于所有類型的材料，但是采用創(chuàng)新材料可以帶來(lái)更大的好處，例如：

l含氟聚合物：用這種材料的基板制造的PCB具有很高的耐腐蝕性，機(jī)械應(yīng)力和高溫。此外，在機(jī)械水平上，含氟聚合物具有優(yōu)異的耐磨性，低粘附性和長(zhǎng)壽命的特性?？紤]到不可忽略的成本，這種類型的材料適用于制造用于醫(yī)療，制藥和食品行業(yè)的PCB 。

l聚酰亞胺：由于柔性和剛性-柔性印刷電路板的日益普及，這種材料（也稱為PI）最近獲得了巨大的成功。這些PCB正在以有效且簡(jiǎn)單的方式，尤其是在可靠性方面，解決了曾經(jīng)被認(rèn)為很關(guān)鍵的電連接問(wèn)題，從而改變了一些電子應(yīng)用的革命。由于他們能夠?qū)⒆约簭澢讵M窄或不規(guī)則形狀的空間中，因此可以實(shí)現(xiàn)此任務(wù)。與傳統(tǒng)的剛性PCB不同，柔性PCB可以彎曲而不會(huì)改變它們攜帶的電信號(hào)的傳輸。由沉積在導(dǎo)電跡線基板上的聚酰亞胺薄膜組成廣泛用于智能手機(jī)，可穿戴設(shè)備，電子醫(yī)療設(shè)備以及需要適用于狹窄空間的靈活布線解決方案的任何地方。除了機(jī)械柔韌性之外，由此獲得的材料還具有優(yōu)異的耐熱性和耐大氣性。通過(guò)將剛性部件和柔性部件組合在一起，可以得到如圖1所示的剛性撓性PCB。該解決方案目前的成本比傳統(tǒng)的PCB高，可用于汽車和摩托車行業(yè)，軍事和航空航天領(lǐng)域。

l丙烯酸膠粘劑：這些材料即使在聚合后仍具有延展性，因此受到高度贊賞，是所有動(dòng)態(tài)應(yīng)用的出色解決方案。丙烯酸粘合劑比用作PCB基板的其他材料具有更高的膨脹系數(shù)。此外，在接近180°C的溫度下，丙烯酸粘合劑開始軟化，與導(dǎo)電走線接觸的PCB層可能會(huì)分層。如果需要高阻燃性，則必須在基材中添加化學(xué)阻燃劑，以降低材料的動(dòng)態(tài)性能；

l環(huán)氧膠粘劑：與以前的膠粘劑不同，環(huán)氧膠粘劑聚合形成剛性材料，因此不適用于許多動(dòng)態(tài)應(yīng)用。但是，由于其較低的膨脹系數(shù)和較高的粘合強(qiáng)度，它們是構(gòu)建能夠承受較高工作溫度的多層PCB的極佳解決方案。環(huán)氧膠粘劑具有很高的耐化學(xué)性和吸收水分的能力，因此被廣泛用作PCB的基材，在這些基材中傳感器可能會(huì)與水分接觸，例如在醫(yī)療和保健應(yīng)用以及許多健身和可穿戴設(shè)備中；

l液晶聚合物：也稱為LCP，液晶聚合物通常用于制造多層PCB，其中降低厚度是基本要求。LCP由極高惰性的非反應(yīng)性材料制成，具有高阻燃性。它們輕巧而靈活，具有非凡的電氣特性，使其成為高頻應(yīng)用的理想解決方案，尤其是在需要包含PCB的重量和厚度的地方。液晶聚合物還具有良好的介電性能，損耗和吸濕性非常低。

l鋁：鋁印刷電路，也稱為覆金屬PCB或IMS（絕緣金屬基底），由導(dǎo)熱但電絕緣的薄介電材料薄層組成，層壓在金屬基底和銅箔之間。銅箔上刻有所需的PCB布局，而金屬基底則具有通過(guò)薄介電層吸收電路產(chǎn)生的熱量的功能。鋁PCB的主要優(yōu)點(diǎn)是，與基于FR-4材料的普通PCB相比，它們的散熱效果更好。最初是為大功率電子應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，覆金屬PCB成為了在消費(fèi)和汽車領(lǐng)域支持高亮度LED照明系統(tǒng)的理想解決方案。 圖2顯示了用于超亮LED照明領(lǐng)域的鋁PCB。

與傳統(tǒng)材料相比，能夠提供卓越性能的新材料由于能夠改善與信號(hào)完整性相關(guān)的各個(gè)方面，因此需要不斷發(fā)展。較低的Dk值可改善阻抗控制，串?dāng)_，抖動(dòng)和信號(hào)偏斜。另一方面，較低的Df值有助于改善上升和下降時(shí)間以及總衰減。