像大多数工程师一样，我的职业生涯始于设计电子产品的爱好。我了解不同的元器件，把它们连接在一个实验板上，向我的朋友展示我的作品——一块PCB。每当遇到问题，我都会追溯到元器件数据表或我编写的一些代码。我没有意识到PCB的重要性，直到我遇到了仅通过代码或元器件无法解决的问题。
设计印制电路板时，常见的要求是采用FR-4材料，但你可能会因为对印制电路板材料不太了解而阻碍项目的顺利进行，甚至使电路板面临风险。现在就让我们来究其原因。
为什么选择FR-4？
FR-4材料由浸渍树脂的玻璃纤维布制成（图1）。它是一种相当常见的增强材料，对铜层和电镀层具有良好的附着力。FR-4非常适用于普通的电子产品，因为它既便宜又易于加工。
图1. FR-4玻璃纤维布图案。（来源：NCAB集团公司）
当材料选择会阻碍项目的顺利进行
应用是设计电路板的关键。应用可定义设计的可靠性或者设计的寿命。在为特定应用进行设计时，材料选择可能有助于设计，也可能有损于设计。对于高速和高温应用设计，材料选择都可能会导致问题。
如果产品需要数字化数据，速度很重要。以更高的速度可靠地发送数据需要采用不会导致意外阻抗或不允许噪声影响信号的材料。FR-4材料的编织图案导致铜层不能位于均匀的表面。玻璃纤维与环氧树脂的比例，以及铜走线与编织图形的对准，在较高速度下将会导致信号完整性问题。
了解设计的应用还包括所设计产品在其生命周期中将暴露于何种温度下。例如，如果汽车应用的平均温度为180℃，则需要确保PCB材料的额定温度更高。否则可能会导致设备在受控环境中能够正常运行，但在现场测试时却会失效（图2）。
图2：6层PCB的横截面。（来源：HuMANDATA LTD.公司）
需要了解的材料信息
当你第一次看到材料数据表，会发现其中列有很多技术指标，令你无所适从。如果不知道从何处着手，可以先关注以下4个技术指标：
1.玻璃化转变温度（tg）：FR-4材料从硬玻璃状态转变为软化材料的温度区域。当热量散去时，基体会变硬回到正常状态。
2.分解温度（TD）：PCB基板分解的温度区域。分解的影响是不可逆的。
3.热膨胀系数（CTE）：基板尺寸的增量。在这种情况下，当温度升高时，会看到Z轴膨胀。
4.介电常数（dk）：对应于信号随频率增加所经受的损耗的比率。
设计师至少应该了解这４个技术指标，并在比较设计所用的材料时加以考虑。
了解设计的应用后，必须与工厂沟通关键参数。这将确保设计可采用具有正确Tg的FR-4材料或具有用于高速数据传输的适当Dk。当从样品设计过渡到批量生产时，这点更加重要。
例如，让我们再来看看CTE值。图3显示了我们团队调查的电镀导通孔的横截面。注意，顶部和第二层的铜不是水平的，而是向上倾斜的；这是由于FR-4材料的膨胀速度与铜镀层的膨胀速度不同。经常会看到Z轴膨胀，导致导通孔的膝盖处破裂，甚至在孔壁深处导致开路。
图3：热膨胀后PCB的横截面；黑色是FR-4材料。（来源：NCAB集团公司）
考虑下一个设计中的所有导通孔。想想如果电路板过热会发生什么。现场失效的代价是什么？一个简单的材料改变就可以避免所有这一切问题。
过度制约
在材料选择方面，过度约束也是一个问题。当你第一次设计产品时，选择一种特定的材料可能会有帮助，但是事情会发生改变。生产产品的工厂可能会改变，材料可能没有库存，或者材料可能过时或太贵。我见过一些客户只是因为以前的工程师使用了某一种材料而继续要求使用这种特定材料。这可能会导致成本大幅上升，在库存有等效材料时，增加了工厂购买不常见材料的订货交付时间。
为了帮助解决这个问题，IPC对不同类型的材料进行了分类。在《IPC-4101刚性和多层印制板基材技术规范》和《IPC-4103高速/高频应用基材技术规范》中，可根据Tg、Td、Dk、CTE、树脂体系或层压板的许多其他参数等特性进行不同的材料选择。当工厂为指定的材料提供替代品时，可使用IPC标准作为找到等效产品的协商标准。
结论
总之，材料选择应该与设计应用相匹配。当遇到产品问题时，不要只检查电路板上的元器件，也要检查电路板内的材料。
Harry Kennedy是NCAB集团的现场应用工程师。
