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PCB基板材料的重要热性能
PCB基板材料的重要热性能
许多设计人员在选择 PCB 基板材料时倾向于关注潜在的信号完整性问题。这绝对可以理解；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，介电特性并不是层压材料的全部内容。
您的 PCB 基板材料还具有一些重要的热特性，应在设计过程中加以考虑。并非所有电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靠性的电路板。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，则可以确保信号完整性和可靠性。
关注PCB基板材料特性
信号完整性取决于 PCB 基板材料的介电常数。从数据表中读取这些值的主要问题是引用的值取决于用于测量的方法。这对热性能来说不是什么问题。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 基板材料的所有可能特性中，热导率可能最受关注（当然在损耗角正切之后）。这有时与热阻互换使用。两者虽然有联系，但并不相同。
热导率是电导率的热力学模拟。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，即有效热导率。有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 的一些替代品可以提供更高的导热性。陶瓷是一个值得注意的例子，因为与玻璃编织层压板相比，它们具有非常高的热导率值。金属芯基板也是一个很好的选择；这些材料通常用于高功率 LED 板。
金属绝缘体基板上的热元件周围的温度分布与 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体积增加的程度。除非您使用低于 4 °C 的水，否则 CTE 值始终为正值。对于铜，热膨胀系数约为 17 ppm/°C，而该值因不同的基板材料而异，FR4 的典型值沿板表面为 11，垂直于板表面为 15。其他材料，例如陶瓷，可以具有广泛的 CTE 值。例如，氮化铝因其高导热性而非常有用，但 CTE 值非常低（从 4.3 到 5.8 ppm/°C）。
CTE 在高温和电路板温度在高低值之间反复循环时都很重要。在循环过程中，电路板会膨胀和收缩，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。您的导体和基板材料的 CTE 值应尽可能匹配。
对于低纵横比的通孔和合理粗的走线，CTE 不匹配不是一个问题。然而，高纵横比的通孔会在筒体中间和颈部经历应力集中，需要更厚的电镀或填充以确保通孔破裂时的导电路径。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 与温度曲线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，增加可用温度值范围和避免玻璃化转变的一种方法是使用具有高 Tg 树脂的基板。标准 FR4 的 Tg 值约为 130 °C，但具有高 Tg 树脂的基材可使 Tg 值高达约 170 °C。如果您的基板和导体 CTE 值在低温下紧密匹配，并且您的电路板将在高温下运行，那么您应该选择具有更高 Tg 值的基板。
大多数电路板可能不会超过标准的 ~130 °C Tg 值。更重要的是 CTE 作为温度函数的稳定性，因为在高温下过高的 CTE 值会在细导体上产生更大的应力。如果您的电路板经常循环到高温，我会选择更稳定的 CTE 值，该值接近导体 CTE 值。
你的设计是一种平衡行为
正如我们所希望的那样，没有任何设计能够满足所有信号完整性和热管理要求，因此需要做出妥协。在热性能方面，在某些板上，重复循环到高温可能需要优先于损耗角正切和介电常数。如果您不是在高速、高频或高电压下工作，您可能希望少关注介电特性，而更多关注热特性以确保可靠性。