Lost your password?
Not a member? Register here

发展变化的FR-4!

八月 12, 2021 | Alun Morgan, EIPC
发展变化的FR-4!

当Gene Roddenberry在美国的某个角落写 《星际迷航》 时,有一群工程师正在研究一项不那么危险的项目,但这个项目开发了突破性的且到今天仍持续影响PCB行业的术语。

该工程师组织名为美国电气制造商协会(National Electrical Manufacturers Association ,简称NEMA)。在PCB行业看来,该协会的代表作是“L1”技术规范。《星际迷航》为人类的语言添加了“光子鱼雷”“双锂合金”和“曲速引擎”等术语,而NEMA则为PCB行业创造了G-10、FR-4和FR-5等术语。“FR”是NEMA对“阻燃(Flame Retardant)”类材料的简称,这类材料上会标有红色的制造商标识。当时用于生产PCB的材料只是纸质增强材料,从20世纪60年代初期开始,逐渐向玻璃增强PCB材料过渡,这个过程中NEMA重新定义相关概念,并成为行业专用术语。

PCB基板的发展必然导致性能分类方式发生改变。NEMA根据材料组成基本化学成分的物理性质对其分类。例如,业界曾根据玻璃转化温度(Tg)对基板进行分类,一般用“标准”“中等”和“高”Tg基板,因此,很多PCB设计师和用户认为Tg值和基板的耐热性有直接关系,而且他们会对那些有高耐热需求的应用指定使用“高Tg”产品。我想到了Spock曾说过的一句话——“不充分的事实总是容易招致危险”。

Tg值仅仅标志树脂化学组成中的相变,获得足够的能量(温度)来增加聚合物的旋转自由度,使其从玻璃态转变为橡胶态。如果继续施加能量,那么下一种转变是Tm或叫做熔化温度。热固性塑料出现了令人意想不到的情况。理论上确实存在Tm,但热固树脂的Tm高于热分解温度Td,这样一来热固性材料就永远达不到Tm,也就是说在达到Tm之前热固树脂早就已经分解成了碳和各种气体。Tg和Td并没有直接的相关性。

为了确定热性能,需要使材料完全达到相变,以考虑与终端应用有关的所有性能,也就意味着分类上会有变化。只指定“高Tg”基板是不够的,还要根据应用指定相应性能,包括Tg、Tm、分层时间、Z轴热膨胀系数和导热系数,以全面表征适用重热量管理的基板。

从《星际迷航》那时开始,我们也逐渐不再使用脉冲功率。说来有些令人难以置信,我大学毕业后的第一份工作是在一个研究实验室,当时的工作内容就包括把一台空间脉冲引擎开发至“扭曲速度”。我当然说的是人们在持续不断地提高信号和数据的传输速率。James Montgomery Scott(Scotty)有一句名言——“我无法改变物理定律”。就我们目前了解到的来看,他说的没错,但我们确实可以探索物理定律。

20世纪60年代的PCB要简单很多。当时的参考频率为1MHz,电路主要由模拟器件组成,很少需要处理理论带宽趋于无穷大的方波形。过去的高频范围可分为两种带宽——FR-4可以使用的带宽和不能使用的带宽。如果遇到不能使用FR-4的情况,则多数设计师就只能选择挑战——使用唯一的选择PTFE,可是一旦使用PTFE,成本昂贵且供应受限。

当James T. Kirk船长在小林丸的模拟训练中遇到克林贡人时,遇到了一个注定充满挑战的局面,而他最终选择了作弊。今天的电路设计者确实很幸运,他们没有必要作弊,因为FR-4和PTFE性能和成本之间的空白已经被众多全新系列基板材料所填补,这些材料在高频率和高速电路上有着不同的性能。新一代材料使设计师选择基板时变得更加灵活,不用因为需要满足某个性能选择整体性能过高或成本非常高的材料了。

FR-4本身也有非常大的进步。最初,FR-4只有一种等级,而今天的FR-4却涵盖了不同性质和化学成分。近期FR-4材料又分成了FR-4.0和 FR-4.1(分别对应溴化阻燃剂和无溴阻燃剂),因为人们意识到并不是所有FR-4材料的性能都是相同的,而且一种变体得到的效果不再代表其他变体。“Jim,这是FR-4,但与我们所了解 的FR-4不同!”

尽管近年来PCB行业发生了巨大的变化,但希望你们与我一样,怀着满腔热血去积极寻找和开发未来的材料解决方案。愿我们在勇踏前人未至之境的征程上生生不息、繁荣昌盛。

 

Alun Morgan任Ventec International Group集团技术大使。

标签:
#PCB  #材料  #发展变化  #FR-4 

需要寻找PCB供应商?

The PCB List祝您快速简便地找到符合您电子制造要求的印制电路板供应商。拥有超过2000家认证厂商的资料!

  About

IConnect007.com是专注于印制电路板(PCB)、电子制造服务(EMS)和印刷电路板设计行业的实时在线杂志。服务于全球以及中国市场多年,发布了超过100000篇新闻、专业文章,提供行业展会实时在线报道,是电子制造领域的行业资讯领导者