StigKällman

瑞典库姆拉爱立信 高级PCB工程师

介绍

当我看到IPC用于标准单层叠层的附录时，首次出现了开发一个材料工具箱的想法。其核心是制作一份非常简单的材料清单、规格和说明，并且有可能在层压板和芯材中使用相同的半固化片和树脂。

本文将通过讨论7个重要因素来介绍材料工具箱的概念：

1. 标准化

2. 工具箱想法

3. 材料问题

4. 技术驱动因素

5. 材料需求

6. 未来

7. 产品

过去，我遇到过许多希望能达到最佳阻抗规格的设计师。他们都会根据场解算器给出的数据，指定阻抗和导体宽度。由于镀铜层或基底铜以及孔最小厚度要求，所以导体厚度为常数。这就为覆铜层压板材料和半固化片厚度设定了要求。如今，可以在材料供应商发给客户的数据表中看到这些要求。

在PCB中，对阻抗影响最大的部分是介电层厚度和导体宽度。我在思考什么样的设计可以用作稳健设计的基准时，想到巨无霸在全球任何地方都有同样的口味。某些人认为它不是味道最好的汉堡包，但它是我最喜欢的，因为这是我认识并且了解的东西。如果我可以将这种模式复制到我们的设计工具箱中，我就会有一个配方，只要正确使用，设计出的叠层的阻抗性能就能稳定不变，无论它是在哪里生产的。

巨无霸指数[1]能够提供对特定国家价格水平的估计。它于1986年9月6日首次出版于《经济学人》杂志上。该指数基于麦当劳巨无霸的价格，该产品不管是在国内还是全球价格都是一样的。

标准化

您必须根据产品的要求确定定位。如果选择主流，就会有最多的选择和最低的价格。但要求越具体，可选项就越少，成本也就越高。

工具箱的理念

标准化的最大好处是，如果知道半固化片以及铜箔及其不同粗糙度对设计的影响，那就能够了解到PCB制造中工艺公差的影响。可以将它们作为默认值，同时再将它们会如何影响您的设计以及制造要求包含进去。然后，比较其中的差异，并与材料供应商合作设计适用的树脂体系。

该工具箱由三个等级组成：

1. 标准的一般参数

2. 具有相同参数的材料组（多种来源）

3. 具体的供应商数据（单一来源）

材料问题

在确定这一点时，我们需要考虑谁在供应链中具有最大的影响力。分析如下：

导体宽度®PCB制造商

导体高度®PCB制造商

介电层厚度®PCB层压板制造商

Dk / Df®PCB层压板制造商

通过在生产变量中指定标准参数，Dk的影响就不再那么重要。一般来说，如果电介质的公差在IPC B / L（2级）以内，并且0.1 mm宽度的导体公差为± 0.03 mm，则阻抗误差会在10%以内，无需测量。如果制作测试板的话，将测量结果参数重新输入场解算器，则误差将会降至大约7%，无需进一步测量。

在全世界范围内，有数家玻璃纤维原材料供应商。由于供应链的位置不同以及材料的许多额外特点会使其价格昂贵。树脂由石油制成，与石脑油一样，石化产品是整个行业的主流原料。接下来，你必须在FR-4.0（含卤素）和FR-4.1（无卤素）之间做出决定，确定树脂性能足够正常工作，同时不会超出设计要求。从3G转向4G产品时，提高对速度的要求，对我们有很大的帮助。这里，我们可以复制以前用过的堆叠中的模块，并将其应用于具有更好属性的新材料中。

编织对大部分玻璃纤维布来说都非常重要，产量最高的一般也具有最好的公差和供货量。频率越高，玻璃纤维布展开越薄。

铜有很多供应商在生产，每个供应商都有自己的处理方式，以达到合适的性能。最常见的是THE、RTF和VLP（图1）。但是，铜箔的粗糙度没有全球化的标准，所以同一类别的产品可能会具有不同程度的粗糙度。还需要知道的一件重要事情是，在PCB制造期间，为了便于粘接而采用的氧化处理或棕化化学品可能会造成成品粗糙度改变。如果要在阻焊层一侧使用黑色氧化处理的话，购买更光滑的铜没有任何意义。图2展示了一个例子。

图1：对铜箔进行处理不仅会影响速度和损耗，还会影响附着力

图2：PCB上的铜粗糙度可能有很大的不同，这对电气性能来说非常重要

技术驱动因素

成本效益

尽量选用产量最大、最为普遍的CCL和PP，因为它们易于买到并且成本最低。了解您所使用的材料成本定位，它会影响PCB供应商提供给您的成本指数。表1显示了普通半固化片的成本指数。PCB供应商的加工工艺流程可能具有很高的成本效益，但如今，PCB材料成本约占总成本的30%。如果他们与上游材料供应商没有良好的关系，那么他们的成本控制就不会做得太好。表2显示了层压板的成本指数。

在制板尺寸

制作PCB的材料成本约占总价值的30%，因此使用最适合母版的在制板尺寸至关重要。PCB尺寸就更有趣了，因为如果制造一块在制板的加工工艺成本为1，那么单块PCB的价格就是1 / n，这取决于在制板上有多少块PCB。

更小的特征

随着图形密度越来越高，不同层所需的铜厚度成为了电路板小型化的限制条件。同时，不同材料的电气特性不同使得人们可以继续缩小图案。

大尺寸是5G的关键，特别是有些支持较低频率波束成型的有源天线板可以达到800mm（31.5英寸），这需要能够生产更大的在制板。

表1：6家PCB供应商的半固化片成本指数平均值

表2：6家PCB供应商的层压板成本指数平均值

更快的速度

如今的串行链路速率高达28Gbit / s，但下一代移动系统需要56Gbit / s，因此分别选择玻璃和铜箔属性对设计能正常工作至关重要。

发热量更大

功耗对性能至关重要，它会使PCB成为组件中的热源，还会在天线某些图形中出现热点（> 100℃）。材料不会随着时间的推移而被击穿或改变其损耗性能对于可靠的产品防止火灾非常重要。

环境保护

避免使用有害物质非常重要。尽可能使用无卤素材料，并在技术和市场成熟时选择无卤素替代品非常重要。

PCB材料需求

将我们当前和未来的材料需求分享给PCB供应商和层压板生产商，以便他们能够寻找新的具有成本效益的替代方案并提高性能，这也非常重要。

明确知道所有的材料属性是非常重要的：

· Dk和Df

整个频率范围的Dk和Df值（1、2、5、10、15、30 GHz）

整个温度范围内的Dk和Df值（-40℃、+ 20℃、+ 100℃）

测量方法（例如IPC-TM-650 2.5.5.5、SPP、SPC等）

· 铜表面粗糙度

Ra、Rz和Rq / RMS

· 材料的机械性能

弯曲模量

弯曲强度

超温（-40℃、+ 20℃、+ 100℃）

· 击穿电压/绝缘强度

现状

不指定PCB层压板的种类，而指定它在某些条件下的属性要求，这样就能使材料供应商意识到我们如今和未来需要的是什么。表3显示了当前无卤素PCB材料的需求。

未来的要求适用于Dk为3.5和3.0的材料，这些材料也是无卤素的，并且完全可以用于制作多层。然而，对于微波设计，Dk为1.0（空气）最好。材料能在1GHz~30 GHz频率范围和-40℃至+ 100℃温度范围内保持其性能也很重要。表4展示了未来对无卤素PCB材料的要求。

表3：当前无卤素PCB材料要求

表4：未来无卤素PCB材料要求

树脂的发展

您必须开始与PCB材料供应商就树脂开发达成合作，并分享您当前和未来的要求，以便他们在树脂配制步骤中就考虑到这些要求。开发MEGTRON 6和TerraGreen之类材料可能需要长达5年时间，才能在市场上销售，特别是考虑到PCB制造商的加工工艺学习曲线和在上市之前就满足未来的UL认证的情况下。

这一非常耗时的过程需要在材料的α测试阶段和β测试阶段通过互动加快，这样才能在投入市场之前完成所有必要的修改。正如我前面提到过的，这些模块的标准化会使得仿真数据的重新利用变得非常容易。还需要同时考虑电气和机械性能。另一个需要考虑的因素是材料的供应链是否可以在当地生产，并且靠近PCB制造商，这样就能最大限度地减少运输成本和对环境的影响。

未来和5G之后

如果想在铜导体中满足传输速度要求的话，如今的IPC铜箔标准看起来相当陈旧，需要有一种方法能够以微米为单位来描述粗糙度，而不是现在的VLP、VLP2和HVLP。如今，想要获得最佳的信号完整性，需要写出很长很复杂的列表，需要购买的物料清单也非常长。

· 铜箔标准

建议三个级别，Ra <2μm、<5μm、<10μm

· 现在参考IPC-4562A，表3-1（见本文表5）

· 更高的MOT需要新的材料和UL应用RTI / MOT 130-150℃

· CAF /热设计/ 孔壁到孔壁的设计约束

表5：最大铜箔轮廓（来源：IPC-4562A，表3-1）

我们也在关注UL引入FR-15.1（150℃）的RTI / MOT以提高材料的耐热性。为了适应更高密度的图案，需要孔壁到孔壁可靠性（CAF测试），同时提高厚度大于3毫米（118密耳）板上通孔的均镀力。高性能低损耗的多层材料还必须符合多次层压要求，特别是对于需要超过7次层压周期的设计。

产品

5G时代将会产生许多新产品，其中包括自主驾驶车辆和基于眼镜的虚拟现实系统。简而言之，物联网将会连接万物。超级碗和2018年奥运会期间都已纳入了5G实验。这将使得人们可以想像他人预测的未来，并可以做我们今天梦想的明天之事。