PCB基板材料的重要热性能(néng)

2021-06-30

PCB基板材料的重要热性能(néng)

许多(duō)设计人员在选择 PCB 基板材料时倾向于关注潜在的信号完整性问题。这绝对可(kě)以理(lǐ)解；高速/高频器件需要相关带宽内的低损耗和平坦色散以防止信号失真，这通常是选择 PCB 基板材料的起点。然而，介電(diàn)特性并不是层压材料的全部内容。

您的 PCB 基板材料还具有(yǒu)一些重要的热特性，应在设计过程中加以考虑。并非所有(yǒu)電(diàn)路板都将部署在恶劣环境中，但那些需要在整个生命周期内保持可(kě)靠性的電(diàn)路板。高温、反复热循环、吸湿和低玻璃化转变温度会在制造和操作过程中产生问题。如果您注意基板材料的正确热特性，则可(kě)以确保信号完整性和可(kě)靠性。

关注PCB基板材料特性

信号完整性取决于 PCB 基板材料的介電(diàn)常数。从数据表中读取这些值的主要问题是引用(yòng)的值取决于用(yòng)于测量的方法。这对热性能(néng)来说不是什么问题。在选择 PCB 基板材料时，需要考虑几个重要的热特性。

热导率与热阻

在 PCB 基板材料的所有(yǒu)可(kě)能(néng)特性中，热导率可(kě)能(néng)最受关注（当然在损耗角正切之后）。这有(yǒu)时与热阻互换使用(yòng)。两者虽然有(yǒu)联系，但并不相同。

热导率是電(diàn)导率的热力學(xué)模拟。它定义了热量沿着每单位面积的温度梯度传输的速率。您的 PCB 基板的热阻取决于一个相关量，即有(yǒu)效热导率。有(yǒu)效热导率与板上每种材料（铜、芯/预浸料、树脂等）的单独热导率值成正比。数据表引用(yòng)了裸层压材料的热导率值。

如果您需要从组件快速散热，那么您需要更大的导热系数。FR4 的一些替代品可(kě)以提供更高的导热性。陶瓷是一个值得注意的例子，因為(wèi)与玻璃编织层压板相比，它们具有(yǒu)非常高的热导率值。金属芯基板也是一个很(hěn)好的选择；这些材料通常用(yòng)于高功率 LED 板。

金属绝缘體(tǐ)基板上的热元件周围的温度分(fēn)布与 FR4。

热膨胀系数 (CTE)

每种材料都会随着温度的变化而膨胀或收缩。CTE 值定义了材料在温度升高时體(tǐ)积增加的程度。除非您使用(yòng)低于 4 °C 的水，否则 CTE 值始终為(wèi)正值。对于铜，热膨胀系数约為(wèi) 17 ppm/°C，而该值因不同的基板材料而异，FR4 的典型值沿板表面為(wèi) 11，垂直于板表面為(wèi) 15。其他(tā)材料，例如陶瓷，可(kě)以具有(yǒu)广泛的 CTE 值。例如，氮化铝因其高导热性而非常有(yǒu)用(yòng)，但 CTE 值非常低（从 4.3 到 5.8 ppm/°C）。

CTE 在高温和電(diàn)路板温度在高低值之间反复循环时都很(hěn)重要。在循环过程中，電(diàn)路板会膨胀和收缩，从而对铜元件施加压力，并且当基板和铜 CTE 值之间的失配较大时，该应力会更大。您的导體(tǐ)和基板材料的 CTE 值应尽可(kě)能(néng)匹配。

对于低纵横比的通孔和合理(lǐ)粗的走線(xiàn)，CTE 不匹配不是一个问题。然而，高纵横比的通孔会在筒體(tǐ)中间和颈部经历应力集中，需要更厚的電(diàn)镀或填充以确保通孔破裂时的导電(diàn)路径。在 HDI 板中，众所周知，由于循环导致的重复应力积累会导致通孔颈部开裂。

过孔顶部的铜分(fēn)离。

玻璃化转变温度 (Tg)

该数量与 CTE 相关。任何材料的 CTE 值通常随温度升高。玻璃化转变往往发生在无定形材料中；一旦材料的温度超过其玻璃化转变温度，材料的 CTE 与温度曲線(xiàn)的斜率就会急剧增加。这意味着当温度超过 Tg 时，材料会随着温度变化而发生更大的膨胀。

在玻璃编织基板材料中，增加可(kě)用(yòng)温度值范围和避免玻璃化转变的一种方法是使用(yòng)具有(yǒu)高 Tg 树脂的基板。标准 FR4 的 Tg 值约為(wèi) 130 °C，但具有(yǒu)高 Tg 树脂的基材可(kě)使 Tg 值高达约 170 °C。如果您的基板和导體(tǐ) CTE 值在低温下紧密匹配，并且您的電(diàn)路板将在高温下运行，那么您应该选择具有(yǒu)更高 Tg 值的基板。

大多(duō)数電(diàn)路板可(kě)能(néng)不会超过标准的 ~130 °C Tg 值。更重要的是 CTE 作為(wèi)温度函数的稳定性，因為(wèi)在高温下过高的 CTE 值会在细导體(tǐ)上产生更大的应力。如果您的電(diàn)路板经常循环到高温，我会选择更稳定的 CTE 值，该值接近导體(tǐ) CTE 值。

你的设计是一种平衡行為(wèi)

正如我们所希望的那样，没有(yǒu)任何设计能(néng)够满足所有(yǒu)信号完整性和热管理(lǐ)要求，因此需要做出妥协。在热性能(néng)方面，在某些板上，重复循环到高温可(kě)能(néng)需要优先于损耗角正切和介電(diàn)常数。如果您不是在高速、高频或高電(diàn)压下工作，您可(kě)能(néng)希望少关注介電(diàn)特性，而更多(duō)关注热特性以确保可(kě)靠性。