新型PCB材料：如何使用它們

在過去的幾年中，我們見證了幾種電子應用的重大進步，從而引入了越來越多的創(chuàng)新技術。取得最大發(fā)展的部門包括移動通信（智能手機和平板電腦），可穿戴設備（包括虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實設備）和電子醫(yī)療設備。汽車和航空航天業(yè)也取得了其他重要進展。來自創(chuàng)新的推力，再加上新制造技術的可用性，已允許引入新材料，以生產(chǎn)更薄，更輕，以及必要時能夠以不斷提高的速度和頻率傳輸電信號的柔性印刷電路。

對新材料的需求

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，它們的組合方式會影響材料的電氣和機械性能。定義材料的兩個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)定了當兩個導體施加一定的電壓時它們可以保持的電荷量。常數(shù)Dk還確定給定電流在導體中流動的速率。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，并且嚴格取決于特定的應用程序，但可能的列表包括：

l需要管理頻率更高的電信號;

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，對路由技術產(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需要管理設備連接性（通常是無線），這是PCB設計的關鍵方面。

跨PCB傳輸?shù)?a target="_blank">信號頻率的增加似乎無法阻止。此功能，加上越來越低的電源電壓（特別是對于高度集成的數(shù)字組件，例如MCU，SoC和FPGA），正在造成嚴重的信號完整性問題。這種類型的應用包括光纖傳輸卡和設備，計算機以及大多數(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，我們可以確定兩個關鍵因素，這些因素決定了最適合特定應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，機械應力和高溫。此外，在機械水平上，含氟聚合物具有優(yōu)異的耐磨性，低粘附性和長壽命的特性。考慮到不可忽略的成本，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正在以有效且簡單的方式，尤其是在可靠性方面，解決了曾經(jīng)被認為很關鍵的電連接問題，從而改變了一些電子應用的革命。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，因此可以實現(xiàn)此任務。與傳統(tǒng)的剛性PCB不同，柔性PCB可以彎曲而不會改變它們攜帶的電信號的傳輸。由沉積在導電跡線基板上的聚酰亞胺薄膜組成廣泛用于智能手機，可穿戴設備，電子醫(yī)療設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，是所有動態(tài)應用的出色解決方案。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，與導電走線接觸的PCB層可能會分層。如果需要高阻燃性，則必須在基材中添加化學阻燃劑，以降低材料的動態(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態(tài)應用。但是，由于其較低的膨脹系數(shù)和較高的粘合強度，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與水分接觸，例如在醫(yī)療和保健應用以及許多健身和可穿戴設備中；

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用而設計的，覆金屬PCB成為了在消費和汽車領域支持高亮度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完整性相關的各個方面，因此需要不斷發(fā)展。較低的Dk值可改善阻抗控制，串擾，抖動和信號偏斜。另一方面，較低的Df值有助于改善上升和下降時間以及總衰減。