PCB板材特性参数详解.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/10/2016,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,CHENLI,*,基材详解,基材原材料分类,基,本的特性参数及详解,基材分类及选择,1,基材原材料,PCB,板原材料,C,opper clad laminate board(CCL),preimpregnate,materials(PP),铜箔,树脂（胶液）玻,璃布纤维,玻,璃布纤维,压延铜箔,电解铜箔,酚醛树脂，环氧树脂，聚四氟乙烯，聚酰亚胺，三嗪和,/,或马来酰亚胺树脂等,.,常用环氧树脂。组成：树脂，固化剂，固化溶济，胶液剂，固化剂加速剂。,纤,维素纸，,E-,玻璃纤维布，聚芳酰胺纤维纸，,S-,纤,维布等。常用,E-,玻璃纤维,树脂（胶液）,2,基材原材料生产流程,3,铜箔,按照铜箔的不同制法可分为压延铜箔和电解铜箔两大类。,（,1,）压延铜箔是将铜板经过多次重复辊轧而制成的原箔（也叫毛箔），根据要求进行粗化处理。由于压延加工工艺的限制，其宽度很难满足刚性覆铜板的要求，所以在刚性覆铜板上使用极少；由于压延铜箔耐折性和弹性系数大于电解铜箔故适于柔性覆铜箔上；,（,2,）电解铜箔是将铜先溶解制成溶液，再在专用的电解设备中将硫酸铜电解液在直流电的作用下，电沉积而制成铜箔，然后根据要求对原箔进行表面处理、耐热层处理和防氧化等一系列的表面处理。,树脂,基板材料生产过程中，高分子树脂（,Polymer Resin),是重要的原料之一。,主要功能是：作为铜箔与玻璃纤维布之间的粘合剂。,种类：根据不同类型的基板要求，可以采用不同的树脂，常用的有：酚酫树脂、环氧树脂、三聚氰胺甲醛树脂，聚酯树脂以及一些特殊树脂如,PI,、,PTFE,、,BT,、,PPE,。,环氧玻纤布基板,（,FR-4,FR-5),（,1,）环氧玻纤布覆铜板强度高，耐热性好介电性好，基板通孔可金属化，实现双面和多层印刷层与层间的电路导通，环氧玻纤布覆铜板是覆铜板所有品质中用途最广、用量最大的一类。广泛用于移动通讯，数字电视，卫星，雷达等产品中。在全世界各类覆铜板中，纸基覆铜板和环氧玻纤布覆铜板约占,92%,（,2,）在,NEMA,标准中，环氧玻纤布覆铜板有四种型号：,G10(,不组燃）、,G11(,保留热强度，不阻燃）、,FR-4,（阻燃）、,FR-5(,保留热强度，阻燃）。目前环氧玻纤布覆铜板中，,FR-4,板用量占,90%,以上，它已经发展成为可适用于不同用途环氧玻纤布覆铜板的总称；,半固化片存在方式：,（,1,）片状：以张为单位，规格一般是,16,*,18 16,*,21 18,*,24 12,*,18,等标准尺寸。,（,2,）卷状：以卷为单位，规格一般是,1.26*200m/,卷，,1.26,*,300m/,卷，也有,1.26m*125,码,/,卷，,1.26m*250,码,/,卷等,1,码,=0.9144,米,4,半固化片的特性参数（,一,）,5,RC,含量是如何影响,PCB,板？,层压时，板边溢胶会导致板边介质厚度较板中间薄，板边与板中间介质厚度差异受固化片含胶量影响，含胶量,越高，板边与板中间厚度差越大，且板边与板中间介质层厚度差异还会导致板边介电常数高于板中间。（？）,板边介质厚度小，介电常数偏大均会导致阻抗偏小。,A.,不同半固化片压合后距板边不同距离介质厚度的情,况,：,6,B.,介电常数差,异情况,半固化片主要由树脂和增强材料组成，其介电常数为各组分的介电常数分别乘以体积比的和为总介电常数，可表示为：,Er=V1XE1+V2XE2,下图实际测试板边与板中间介电常数,Dk,偏差。,C.,距板,边,不,同距离,的阻抗测试结,果,7,D,.,距板,边,不,同距,离铜厚度差异,8,AMD,在,SCC,制板所使用主要板材中,Tg,（中,Tg135,高,Tg175):IT158,S1150G,Megtron-4,9,10,11,12,材料特性参数（二）,A,.,玻璃化转变温度,Tg,（,Glass Transition Temperature):,非晶聚合物有三种力学状态，它们是玻璃态，高弹态和粘流态。在温度较低时，材料为刚性固体状，与玻璃相似，在外力作用下只会发生非常小的形变，此状态为玻璃态，当温度继续升高到一定范围后，材料形变明显增加，并在随后的一定温度区间形变相对稳定，为高弹态，当温度继续升高形变量又逐渐增大，材料逐渐变成粘性的流体，此时形变不可能恢复，此状态为粘流态。我们把玻璃态与高弹态之间的转变，称为玻璃化转变，它所对应的温度就是玻璃化转变温,度。目前用于玻璃化温度测定的热分析方法主要为差热分,析（,DSC,）。以,DSC,为例，当温度逐渐升高，通过高分子聚合物的,玻璃化转变温度,时，,DSC,曲线上的基线向吸热方向移动（见图）。图中,A,点是开始偏离基线的点。将转变前后的基线延长，两线之间的垂直距离为阶差,J,，在,J/2,处可以找到,C,点，,C,点所对应的温度值即为,玻璃化转变温度,Tg,。还有,动,态力学性能分析（,DMA,），热机械分析（,TMA,），核磁共振法（,NMR,）等,.,13,层数多，厚度厚和面积大的高性能板，在焊接时，需要有更多的热容量，才能保证焊接的可靠性，,否则采用常规,PCB,的焊接温度和焊接时间，会造成“虚焊”。而且使用无铅爆料焊接时，焊接温度,还会增加,20-30,，增加焊接时间。,14,B.,基材的热分解温,度,Td(,thermal,decomposition,temperature),:,它,表示印制板基材的热分解温度，是指基材,的树,脂受热失重,5,时的温度，作为印制板的基材受热引起分层和性能下降的标志,。常采用热重量分析法（,TGA,）来测量。,C.,热膨胀系数,CTE,(,Coefficient,of thermal,expansion),：,描述了一个,PCB,受热或冷却时膨,胀或收缩的,一个百分率,，其单位温度上升之间引起的基板材料尺寸的线性变化。,PCB,在,X.Y,方向受玻璃布的钳制，,CTE,不大，目前普便情况在,11-15,之间。主要关注的是板厚,Z,方向。,Z,轴,CTE,采用,热,机分析法（,TMA,）来测量。,1-CTE,：,Tg,以,下热,膨胀系数,，,标准最高为,60ppm/,。,2-CTE,：,Tg,以上热膨胀系,数，标准最高为,300ppm/.,CTE,对,PCB,的影响主要表现在以下三个方面：,1,）对焊接可靠性的影响：,当焊锡，基材以及元器件,CTE,整体失配的情况下在焊接的过程中元器件的位置会发生移动，在热环境作用下元器件越大影响越大。,膨胀失配主要取决于：,CTE,不匹配的差值，环境温度的波动范围以及膨胀位移,.,整体膨胀失配会对焊点产生循环应力并导致疲劳，从而使焊点失效特别是角部结合处焊点。另外引脚刚度越大，越会产生较大的应力，无引脚的连接形式刚性更大，长引脚可以通过自身材料的塑性变形调整形状，所以热膨胀失配导致的位移或变形不会直接传递到焊点，而表贴引脚是一种极限，会产生较大的膨胀失配情况。,2,）对层间对位度的影响：提高层间对准度,3,）对导通孔可靠性的影响：避免引起孔壁断裂,焊,盘剥离，内层铜撕裂，树脂凹缩。如下图所示,15,CTE,降低导通孔的可靠性表现在以下方面,针对以上情况我们怎么解决？,1,）对材料的,CTE,进行协调来减小整体热膨胀失配。基材，焊料和器件组合考虑，最优,CTE,差为,1-3ppm/,因为器件太多，只能对可靠性风险影响最大的元器件考虑。,2,）增加连接柔顺性，对于表贴器件增加焊点厚度或者换成插件，减小引脚的润湿长度来减小界面处应力。,3,）填充器件与基板之间的空隙。,4,）对过孔做,thermal relief,减少对孔壁的应力。,对于温度变化太大的情况，比如每分钟温升,30,以上，即使完全匹配也会导致焊点失效,.,16,D.,热分层时间（,Time to Delamination):,分层时间为,CCL,耐热性的一个重要性能指标，俗称,T260/T288,，,T260/T288,表示,采用稳定在,260,高温条件下测,试,板,材的抗爆板时间。,T288,代,表最,高温度为,288,采用热分析法（,TMA,）来进行测试，观察在强热环境下能够抵抗,Z,轴膨胀多久而不致裂开。,目,前中,Tg,以下标准是,T260 30,分钟，,T288,是,5,分钟。高,Tg,是,T260 30,分钟，,T288 15,分钟，,T300,为,2,分钟。,E.,介,质,常数,Dk(Dielectric Constant/Permittivity):,介,电常数是指每单位体积的绝缘物质在每单位电位梯度下所能储蓄静,电能,量的多少，同义词是电,容,率,（,Permittivity),，介电常数与电容的关,系如下图。,原,外加电,场（,真空中,）与,介质中电场的比值即为相对介电常,数,(,relative permittivity,或,dielectric constant,),又,称诱电,率。介电常,数是相对介电常数与真空中绝对介电常数,乘积。,D,k为介质常数，,A,为平行板上下重叠的面积，,d,为介质厚度,17,介,电常数对,PCB,板性能有什么影响,？,1),介电常数与信号传输速度的关,系：,C,为光速，,r,为有效相对介电常数，从中可以看到介质中信号的传输速度与,r,的平方根成反比。延伸出介电常数与信号沿微带线和带状线的延时关系。从下图的公式我们可以大概的计算出,PCB,走线在不同层面大概延时时间。,微带线的传输延时简化计算公式：,埋入式微带线和带状线传输延时简化公式,18,2,）介电常数与阻抗的关系,单微带线介电常数与阻抗的简化公式：,条,件：,B-(T+H),小于,0.05mm,0.1W/H3,0.1,15,19,单带状线介电常数与阻抗的简化公式：,条件,:,W/H2,T/H,氰酸酯基,CEM-3,基材,G-10,基材,FR-4,和,PI,基材,环氧树脂,/,芳酰胺纤维布基材,聚酯基材,.,测,试条件：,85/85%/50V-100V,条件下测试,1000,小时后保持绝缘电阻在,5X108,欧姆以上。,24,H,.,相对漏电起痕指数,CTI,（,Comparative Tracking index,),材料,表面能,经受住,50,滴,电解液,（,0.1%,氯化铵,水溶液）而没有形成,漏电痕迹,的最高电压值，单位为,V,。,聚合物绝缘材料有着特殊的电气破坏现象，即聚合物绝缘材料表面在特定的条件下会发生电痕,劣化,现象并且可以导致电痕破坏。电痕破坏是指当材料表面存在潮湿与污秽、电场足够大时，表面将有漏电流产生，在电流的,焦耳热,作用下，水分被蒸发，随着材料表面,液膜,的分离形成的缝隙（称为干燥带）。在干燥带形成瞬间液膜间场强达到放电场强而导致,放电,，放电产生的热量使材料表面局部,碳化,，由于碳化生成物的,导电率,高，此处的电场密度集中于该碳化部分，引起放电的重复发生，在其周围产生更多的碳化物，形成碳化,导电,路，并向电极方向伸展，最终导致短路,。,25,基材特性（三）,A.,体积电阻率,(Volume Resistivity),体,积电阻率,，是,材料,每单位体积对电流的阻抗，用来表征材料的电性质。通常体积电阻率,越高,，,材,料用做电绝缘部件的效能就越高。通常所说的电阻率即为体积电阻,率，单位是欧姆,.,厘米。,B,.,表面电阻率,(Surface Resistivity),该,参数用于厚度一定的薄膜材料,其定义为表面上单位长度的直流压降与单位宽度流过电流之比,.,单,位是欧姆。,C,.,介质击穿,(Dielectric Breakdown),加,在,电介质,上的,电场强度,超过某一临界值时，电介质的绝缘性能完全丧失的现,象。基材绝缘性发生,不可逆的破坏，使绝缘击穿的最低临界电压。,D.,耐电强度（,Electric,Strength),材,料在电场作用下,，发生击穿时所,能承受最高的电场强度,:,通常用试样击穿电压值与其厚度,(,两电极板间试样平均厚度，涂料为漆膜,),之比表示，单位为,kV/mm,E,.,剥离强度,(Peel Strength),指裁出一定宽度的铜箔，将铜箔剥离,PP,所需要的拉力与拉起的铜箔宽度的比值。,F.,吸水率（,water Absorption),是表示物体在正常,大气压,下吸水程度的,物理量,，用百分率来表,示。,G.,可燃性（,Flammability),它,用来评价材料在被点燃,后熄,灭的能,力。,阻燃等级,由,HB,，,V-2,，,V-1,向,V-0,逐,级递,增。,V-0,是对,样品进行两,次,10,秒,的燃烧测试后，火焰,在,30,秒内熄灭。不能有燃烧物,掉下。,26,H,.,耐电弧性,(Arc Resistance),材,料抵抗由高压电弧作用引起变质的能力，通常,用弧焰,在材料表面引起炭化至表面导电而电弧,消失所需时间表示，单位是秒,。,I,.,扰曲强度（,Flexural Strength),将电路板基材板，,取,其宽吋，长,2.56,吋（按厚度而定）的样片，在其两端下方各置一支点，在其中央点连续施加压力，直到样片断裂为止。迫使其断裂的最低压力强度称为抗挠强度,。,通常,PCB,设计需要关注的基材特性是：,玻璃转化温度,Tg,热分解温度,Td,热膨胀系数,CTE,相,对漏电起痕指数,CTI,离,子迁移性,CAF,介电常数,Dk,介质损耗正切角,Df,27,28,29,谢谢观赏！,