PCB板材的结构与功用介绍

汽车电子硬件设计 2020-03-27 00:00

现今的PCB基材大底由铜箔层(Cooper Foil)、补强材(Reinforcement)、树脂(Epoxy)等三种主要成份所构成,可是自从无铅(Lead Free)制程开始后,第四项粉料(Fillers)才被大量加进PCB的板材中,用以提高PCB的耐热能力。

我们可以把铜箔想像成人体的血管,用来输送重要的血液,让PCB起到活动的能力;补强材则可以想像成人体的骨骼,用来支撑与强化PCB不至于软蹋下来;而树脂则可以想像是人体的肌肉,是PCB的主要成分。


 

下面将这四种PCB材料的用途、特性与注意事项来加以说明:

1. Copper Foil(铜箔层)

Electric Circuit:导电的线路。

Signal line:传送讯息的讯(信)号线。

Vcc:电源层、工作电压。最早期的电子产品的工作电压大多设为12V,随著技术的演进,省电的要求,工作电压慢慢变成了5V、3V,现在更渐渐往1V移动,相对地铜箔的要求也越来越高。

GND(Grounding):接地层。可以把Vcc想成是家裡面的水塔,当我们把水龙头打开以后,透过水的压力(工作电压)才会有水(电子)流出来,因为电子零件的作动都是靠电子流动来决定的;而GND则可以想像成下水道,所有用过或没用完的水,都经由下水道流走,否则水龙头一直排水,家裡面可是会淹大水的。

Heat Dissipation (due to high thermal conductivity) :散热用。有没有听说过某些CPU热到可以把蛋煮熟,这其实不夸张,大多数的电子元件都会耗用能量而产生热能,这时候需要设计大面积的铜箔来让热能尽快释放到空气当中,否则不只人类受不了,就连电子零件也会跟著当机。

2. Reinforcement(补强材)

选用PCB补强材的时候必须具备下列的各项优异特性。而我们大部分看到的PCB补强材都是玻璃纤维(GF, Glass Fiber)制成 ,仔细看的话玻璃纤维的材质有点像很细的钓鱼线,因为具备下列的个性优点,所以经常被选用当PCB的基本材料。

High Stiffness:具备高「刚性」,让PCB不易变形。

Dimension Stability:具备良好的尺寸安定性。

Low CTE:具备低的「热胀率」,防止PCB内部的线路接点不至于脱离造成失效。

Low Warpage:具备低的变形量,也就是低的板弯、板翘。

High Modules:高的「杨氏模量」

3. Resin Matrix(树脂混合材)

传统FR4板材以Epoxy为主,LF(Lead Free)/HF(Halogen Free)板则采用多种树脂与不同固化剂与之搭配,使得成本上升,LF约20%,HF约45%。

HF板材易脆易裂且吸水率变大,厚大板容易发生CAF,需改用开纤布、扁纤布,并强化含浸均匀之物质。

良好的树脂必须具备下列的条件:

Heat Resistance:耐热好。加热焊接两~三次后不会爆板,才叫耐热性好。

Low Water Absorption:低的吸水率。吸水是造成PCB爆板的主要原因。

Flame Retardance:必须具备阻燃性。

Peel Strength:具备高的「抗撕强度」。

High Tg:高的玻璃态转换点。Tg高的材料大多不易吸水,不吸水才是不爆板的根本原因,而不是因为高Tg。

Toughness:良好的「韧度」。韧度越大越不容易爆板。 Toughness又被称作「破坏能量」,韧度越好的材料其承受衝击忍受破坏的能力就越强。

Dielectric properties:高的介电性,也就是绝缘材料。

4. Fillers System(粉料、填充料)

早期有铅焊接的时候温度还不是很高,PCB原本的板材还可以忍受,自从进入无铅焊接后因为温度加高,所以粉料才加进PCB的板材中来将强PCB抵抗温度的材料。

Fillers应先作藕合处理以提高分散性与密著性。

Heat Resistance:耐热好。加热焊接两~三次后不会爆板,才叫耐热性好。

Low Water Absorption:低的吸水率。吸水是造成PCB爆板的主要原因。

Flame Retardance:必须具备阻燃性。

High Stiffness:具备高「刚性」,让PCB不易变形。

Low CTE:具备低的「热胀率」,防止PCB内部的线路接点不至于脱离造成失效。

Dimension Stability:具备良好的尺寸安定性。

Low Warpage:具备低的变形量,也就是低的板弯、板翘。

Drill processibility:因为粉料的高刚性与高韧性,所以造成PCB钻孔的困难度。

High Modulus:杨氏模量

Heat Dissipation(due to high thermal conductivity) :散热用。


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