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PCB基板材料的重要熱性能
PCB基板材料的重要熱性能
許多設計人員在選擇 PCB 基板材料時傾向于關注潛在的信號完整性問題。這絕對可以理解；高速/高頻器件需要相關帶寬內的低損耗和平坦色散以防止信號失真，這通常是選擇 PCB 基板材料的起點。然而，介電特性并不是層壓材料的全部內容。
您的 PCB 基板材料還具有一些重要的熱特性，應在設計過程中加以考慮。并非所有電路板都將部署在惡劣環境中，但那些需要在整個生命周期內保持可靠性的電路板。高溫、反復熱循環、吸濕和低玻璃化轉變溫度會在制造和操作過程中產生問題。如果您注意基板材料的正確熱特性，則可以確保信號完整性和可靠性。
關注PCB基板材料特性
信號完整性取決于 PCB 基板材料的介電常數。從數據表中讀取這些值的主要問題是引用的值取決于用于測量的方法。這對熱性能來說不是什么問題。在選擇 PCB 基板材料時，需要考慮幾個重要的熱特性。
熱導率與熱阻
在 PCB 基板材料的所有可能特性中，熱導率可能最受關注（當然在損耗角正切之后）。這有時與熱阻互換使用。兩者雖然有聯系，但并不相同。
熱導率是電導率的熱力學模擬。它定義了熱量沿著每單位面積的溫度梯度傳輸的速率。您的 PCB 基板的熱阻取決于一個相關量，即有效熱導率。有效熱導率與板上每種材料（銅、芯/預浸料、樹脂等）的單獨熱導率值成正比。數據表引用了裸層壓材料的熱導率值。
如果您需要從組件快速散熱，那么您需要更大的導熱系數。FR4 的一些替代品可以提供更高的導熱性。陶瓷是一個值得注意的例子，因為與玻璃編織層壓板相比，它們具有非常高的熱導率值。金屬芯基板也是一個很好的選擇；這些材料通常用于高功率 LED 板。
金屬絕緣體基板上的熱元件周圍的溫度分布與 FR4。
熱膨脹系數 (CTE)
每種材料都會隨著溫度的變化而膨脹或收縮。CTE 值定義了材料在溫度升高時體積增加的程度。除非您使用低于 4 °C 的水，否則 CTE 值始終為正值。對于銅，熱膨脹系數約為 17 ppm/°C，而該值因不同的基板材料而異，FR4 的典型值沿板表面為 11，垂直于板表面為 15。其他材料，例如陶瓷，可以具有廣泛的 CTE 值。例如，氮化鋁因其高導熱性而非常有用，但 CTE 值非常低（從 4.3 到 5.8 ppm/°C）。
CTE 在高溫和電路板溫度在高低值之間反復循環時都很重要。在循環過程中，電路板會膨脹和收縮，從而對銅元件施加壓力，并且當基板和銅 CTE 值之間的失配較大時，該應力會更大。您的導體和基板材料的 CTE 值應盡可能匹配。
對于低縱橫比的通孔和合理粗的走線，CTE 不匹配不是一個問題。然而，高縱橫比的通孔會在筒體中間和頸部經歷應力集中，需要更厚的電鍍或填充以確保通孔破裂時的導電路徑。在 HDI 板中，眾所周知，由于循環導致的重復應力積累會導致通孔頸部開裂。
過孔頂部的銅分離。
玻璃化轉變溫度 (Tg)
該數量與 CTE 相關。任何材料的 CTE 值通常隨溫度升高。玻璃化轉變往往發生在無定形材料中；一旦材料的溫度超過其玻璃化轉變溫度，材料的 CTE 與溫度曲線的斜率就會急劇增加。這意味著當溫度超過 Tg 時，材料會隨著溫度變化而發生更大的膨脹。
在玻璃編織基板材料中，增加可用溫度值范圍和避免玻璃化轉變的一種方法是使用具有高 Tg 樹脂的基板。標準 FR4 的 Tg 值約為 130 °C，但具有高 Tg 樹脂的基材可使 Tg 值高達約 170 °C。如果您的基板和導體 CTE 值在低溫下緊密匹配，并且您的電路板將在高溫下運行，那么您應該選擇具有更高 Tg 值的基板。
大多數電路板可能不會超過標準的 ~130 °C Tg 值。更重要的是 CTE 作為溫度函數的穩定性，因為在高溫下過高的 CTE 值會在細導體上產生更大的應力。如果您的電路板經常循環到高溫，我會選擇更穩定的 CTE 值，該值接近導體 CTE 值。
你的設計是一種平衡行為
正如我們所希望的那樣，沒有任何設計能夠滿足所有信號完整性和熱管理要求，因此需要做出妥協。在熱性能方面，在某些板上，重復循環到高溫可能需要優先于損耗角正切和介電常數。如果您不是在高速、高頻或高電壓下工作，您可能希望少關注介電特性，而更多關注熱特性以確?？煽啃?。