新型PCB材料：如何使用它们

在过去的几年中，我们见证了几种电子应用的重大进步，从而引入了越来越多的创新技术。取得最大发展的部门包括移动通信（智能手机和平板电脑），可穿戴设备（包括虚拟现实和增强现实设备）和电子医疗设备。汽车和航空航天业也取得了其他重要进展。来自创新的推力，再加上新制造技术的可用性，已允许引入新材料，以生产更薄，更轻，以及必要时能够以不断提高的速度和频率传输电信号的柔性印刷电路。

对新材料的需求

传统的材料和基材包括玻璃纤维织物，塑料（树脂）和铜。在印刷电路板的制造中使用了不同类型的树脂和玻璃，它们的组合方式会影响材料的电气和机械性能。定义材料的两个主要电特性是介电常数（Dk）和损耗角正切（也称为耗散因数（Df）），两者都很大程度上取决于材料或基材所经受的温度和频率。介电常数规定了当两个导体施加一定的电压时它们可以保持的电荷量。常数Dk还确定给定电流在导体中流动的速率。相反，损耗角正切提供了介电材料吸收的电磁能的量度。

最现代的电子应用需要的材料的特性与PCB制造中传统使用的材料和基板所提供的特性不同。即使决定选择的原因有很多，并且严格取决于特定的应用程序，但可能的列表包括：

l 需要管理频率更高的电信号;

l 增加电子元件的集成密度;

l 许多组件的新软件包的可用性，对路由技术产生影响；

l 需要将功率损耗降至最低，尤其是在低功率或电池供电的应用中；

l 需要为PCB提供足够的热量管理，以最大程度地减少散发的热量；

l 需要管理设备连接性（通常是无线），这是PCB设计的关键方面。

跨PCB传输的信号频率的增加似乎无法阻止。此功能，加上越来越低的电源电压（特别是对于高度集成的数字组件，例如MCU，SoC和FPGA），正在造成严重的信号完整性问题。这种类型的应用包括光纤传输卡和设备，计算机以及大多数配备处理单元的嵌入式系统。

 

新材料和基材

基于上一段中考虑的因素，我们可以确定两个关键因素，这些因素决定了最适合特定应用的材料和基板的选择：PCB可以承受的最大功率和热量。尽管此规则是通用的，并且适用于所有类型的材料，但是采用创新材料可以带来更大的好处，例如：

l 含氟聚合物：用这种材料的基板制造的PCB具有很高的耐腐蚀性，机械应力和高温。此外，在机械水平上，含氟聚合物具有优异的耐磨性，低粘附性和长寿命的特性。考虑到不可忽略的成本，这种类型的材料适用于制造用于医疗，制药和食品行业的PCB 。

l 聚酰亚胺：由于柔性和刚性-柔性印刷电路板的日益普及，这种材料（也称为PI）最近获得了巨大的成功。这些PCB正在以有效且简单的方式，尤其是在可靠性方面，解决了曾经被认为很关键的电连接问题，从而改变了一些电子应用的革命。由于他们能够将自己弯曲并包裹在狭窄或不规则形状的空间中，因此可以实现此任务。与传统的刚性PCB不同，柔性PCB可以弯曲而不会改变它们携带的电信号的传输。由沉积在导电迹线基板上的聚酰亚胺薄膜组成广泛用于智能手机，可穿戴设备，电子医疗设备以及需要适用于狭窄空间的灵活布线解决方案的任何地方。除了机械柔韧性之外，由此获得的材料还具有优异的耐热性和耐大气性。通过将刚性部件和柔性部件组合在一起，可以得到如图1所示的刚性挠性PCB。该解决方案目前的成本比传统的PCB高，可用于汽车和摩托车行业，军事和航空航天领域。

l 丙烯酸胶粘剂：这些材料即使在聚合后仍具有延展性，因此受到高度赞赏，是所有动态应用的出色解决方案。丙烯酸粘合剂比用作PCB基板的其他材料具有更高的膨胀系数。此外，在接近180°C的温度下，丙烯酸粘合剂开始软化，与导电走线接触的PCB层可能会分层。如果需要高阻燃性，则必须在基材中添加化学阻燃剂，以降低材料的动态性能；

l 环氧胶粘剂：与以前的胶粘剂不同，环氧胶粘剂聚合形成刚性材料，因此不适用于许多动态应用。但是，由于其较低的膨胀系数和较高的粘合强度，它们是构建能够承受较高工作温度的多层PCB的极佳解决方案。环氧胶粘剂具有很高的耐化学性和吸收水分的能力，因此被广泛用作PCB的基材，在这些基材中传感器可能会与水分接触，例如在医疗和保健应用以及许多健身和可穿戴设备中；

l 液晶聚合物：也称为LCP，液晶聚合物通常用于制造多层PCB，其中降低厚度是基本要求。LCP由极高惰性的非反应性材料制成，具有高阻燃性。它们轻巧而灵活，具有非凡的电气特性，使其成为高频应用的理想解决方案，尤其是在需要包含PCB的重量和厚度的地方。液晶聚合物还具有良好的介电性能，损耗和吸湿性非常低。

l 铝：铝印刷电路，也称为覆金属PCB或IMS（绝缘金属基底），由导热但电绝缘的薄介电材料薄层组成，层压在金属基底和铜箔之间。铜箔上刻有所需的PCB布局，而金属基底则具有通过薄介电层吸收电路产生的热量的功能。铝PCB的主要优点是，与基于FR-4材料的普通PCB相比，它们的散热效果更好。最初是为大功率电子应用而设计的，覆金属PCB成为了在消费和汽车领域支持高亮度LED照明系统的理想解决方案。 图2显示了用于超亮LED照明领域的铝PCB。

与传统材料相比，能够提供卓越性能的新材料由于能够改善与信号完整性相关的各个方面，因此需要不断发展。较低的Dk值可改善阻抗控制，串扰，抖动和信号偏斜。另一方面，较低的Df值有助于改善上升和下降时间以及总衰减。