PCB材料選擇指南
電子產品中最重要的零件是印刷電路板 (PCB)。此縮寫也指印刷線路板和印刷線路卡，它們本質上是同一回事。由於這些電路板在從電腦到計算器等各種設備中都發揮著至關重要的作用，因此在選擇 PCB 板材料時應謹慎，並充分了解特定設備的電氣需求。
在 PCB 出現之前，電路板材料大多佈滿了纏繞重疊的導線，這些導線很容易在某些連接處發生故障。隨著時間推移，某些導線開始斷裂，也容易導致短路。不出所料，早期電路板的手工佈線過程既繁瑣又費力。
隨著越來越多的日常電子元件開始依賴電路板，開發更簡單、更緊湊替代品的競爭也隨之展開，這推動了PCB材料的開發。利用PCB材料，電路可以在各種不同的元件之間佈線。促進電路板和任何連接元件之間電流傳輸的金屬稱為焊料，焊料還具有黏合特性，兼具雙重用途。
PCB材料成分
PCB 的組成通常由四層組成，這些層透過熱壓合在一起形成單層。 PCB 所用材料從上到下包括以下各層：
• 網版印刷
• 阻焊層
• 銅
• 基材
最後一層是基板，由玻璃纖維製成，也稱為 FR4，其中 FR 字母代表「阻燃」。此基板層為 PCB 提供了堅實的基礎，但其厚度會根據特定電路板的用途而變化。
市面上也有一些價格較便宜的電路板，它們不使用上述PCB材料，而是採用酚醛樹脂或環氧樹脂。由於這些電路板對熱敏感，它們很容易失去層壓。這些價格較便宜的電路板通常很容易透過焊接時散發出的氣味來識別。
PCB 的第二層是銅，它透過熱熔膠和黏合劑層壓到基板上。銅層很薄，有些電路板上會有兩層銅──一層在基板上方，一層在基板下方。單層銅的 PCB 通常用於價格較低的電子設備。
大量使用的覆銅板（CCL）可根據增強材料、所用樹脂膠黏劑、可燃性、CCL性能等不同的分類標準分為不同的類別。
綠色阻焊層上方是網版印刷層，用於添加字母和數字指示，使技術程式設計師能夠輕鬆讀取 PCB 上的文字。這反過來又使電子組裝工人更容易將每個 PCB 放置在每個元件上的正確位置和方向。網版印刷層通常為白色，但有時也會使用紅色、黃色、灰色和黑色等顏色。
PCB層技術術語
除了了解 PCB 如何分層之外，了解 PCB 使用過程中伴隨的以下技術術語也很重要：
• 環形環。環繞 PCB 上孔的銅環。
• DRC。設計規則檢查 (DRC) 的縮寫。本質上，DRC 是一種檢查 PCB 設計功能性的方法。檢查的細節包括走線和鑽孔的寬度。
• 鑽孔命中率。用於描述 PCB 上的所有孔，無論正確與否。在某些情況下，由於生產過程中使用的鑽孔設備較鈍，孔位可能會略有偏差。
• 金屬指。指電路板邊緣裸露的金屬，用作兩塊 PCB 之間的連接點。金屬指常見於老式電子遊戲機和記憶卡上。
• 滑鼠鑽。電路板上過度鑽孔的區域，會威脅到 PCB 的結構完整性。
• 焊盤。 PCB 上的一塊裸露金屬區域，通常會將焊接件放置在其上。
• 面板。一塊大型電路板由多個小板組成，這些小板最終會被分割成多個單獨的零件。這種做法是為了減少操作人員在處理小板時遇到的困難。
• 焊膏模板。電路板上的金屬模板，用於放置焊膏以便焊接。
• 平面。 PCB 上較大面積的裸露銅箔，有邊框但缺少路徑。
• 鍍通孔。直接穿過 PCB 的孔，通常用於連接其他元件。這種孔經過電鍍處理，通常帶有一個環形環。
• 槽。任何非圓形的孔。有槽的PCB通常價格較高，因為在電路板上製造異形孔的生產成本較高。槽通常不進行電鍍。
• 表面貼裝。一種無需使用通孔即可將外部組件直接安裝到電路板上的方法。
• 走線。 PCB 上連續的銅線。
• V 形切口。電路板被部分切割的地方。這會導致 PCB 板容易斷裂。
• 過孔。訊號在層間傳輸的孔。過孔有帳篷狀和非帳篷狀兩種。帳篷狀過孔覆有保護性阻焊層，而非帳篷狀過孔則用於連接連接器。
層數前面的數字指的是導電層的具體數量，無論是佈線層還是平面層——這兩種層類型。層數通常為 1，或接下來四個偶數中的任一個：2、4、6、8。層數板有時也會使用奇數，但這種情況很少見，幾乎不會造成任何影響。例如，5 層板和 6 層板的 PCB 材料幾乎相同。
這兩種層類型具有不同的功能。佈線層具有走線。平面層用作電源連接器，並具有銅平面。平面層還具有島狀結構，用於確定電路板的訊號用途，無論是 3.3 V 還是 5 V。
FR4是玻璃纖維增強環氧層壓板的代號。 FR4憑藉其優異的強度以及耐濕防火性能，成為最受歡迎的PCB材料之一。
其他 PCB 設計考量
諸如 1.6 毫米之類的數字用於表示層板的厚度。對於四層板，4 毫米是標準厚度。選擇設備板時，厚度是需要注意的因素。例如，當需要支撐較重的連接物時，厚度較大的板能提供更大的支撐力。
平面層的標準銅厚為35微米。有時，銅厚也以盎司或克為單位。對於支援多種應用的電路板，最好選擇高於常規的銅厚。
軌道並非用於傳輸電力，但當訊號無法正確處理頻率時，有時會發生這種情況。如果不加以控制，軌道最終可能會損失大量電力。為了盡可能將電力從軌道的一側傳輸到另一側，軌道的佈局必須考慮傳輸方程式。
一般來說，在採用銅線FR4 PCB材料的多層板上，假設訊號時間為XNUMX奈秒，兩英吋是適當的線距。然而，您還必須考慮傳輸線對長線距的影響，尤其是在訊號完整性至關重要的情況下。網路上有許多程式和電子表格，旨在幫助人們針對特定層板進行正確的阻抗計算。
大多數電路板上的過孔都是空的，通常可以直接看到裡面。然而，在各種情況下，過孔都需要填充。首先，為了形成防止灰塵和其他雜質進入的保護屏障，填充過孔是必要的。其次，填充過孔可能是為了提高電流的承載能力，在這種情況下可能會使用導電材料。填充過孔的另一個原因是為了讓電路板平整。
過孔通常用球柵陣列 (BGA) 元件填滿。如果 BGA 接腳與內層接觸，焊錫可能會穿過過孔並流到其他層。因此，需要填充過孔，以確保焊料不會洩漏到其他層，並保持預期的接觸完整性。
多層板上最麻煩的情況之一是電路板上某個位置的接點斷斷續續。這種情況發生得越多，電路板的該部分就越有可能完全損壞。一般家用電子產品使用者在計算機上的某個按鈕失靈時就會遇到這個問題。每個按鈕都會作用在多層板上的特定位置，當某個位置發生故障時，與其對應的按鈕就無法發送訊號。
另一種可能磨損某些接點的情況是，將輔助卡插槽安裝到主機板上時。如果操作不當，卡片上的某個接點可能會損壞，導致後續無法運作。保護電路板表面相互接觸的最佳方法是使用鍍金層，它可以起到延長使用壽命的作用。然而，金的價格可能不菲，而且在卡舌上使用金會在 PCB 製造過程中增加一個步驟。
PCB阻焊層
說到主機板，大多數人最熟悉的顏色是綠色，也就是阻焊層的顏色。雖然不太常見，但阻焊層有時也會以其他顏色出現，例如紅色或藍色。阻焊層也稱為 LPISM，是液態感光阻焊層的縮寫。阻焊層的作用是防止液態焊錫洩漏。近年來，由於缺乏阻焊層，這種情況變得越來越常見。然而，據大多數人說，使用者通常喜歡有阻焊層的電路板，而不是沒有阻焊層的電路板。
將阻焊膜塗到PCB上後，PCB就會接觸到熔融的焊錫。在此過程中，裸露的銅表面會被焊錫覆蓋。這稱為熱風焊料整平 (HASL)。焊接SMD晶片時，電路板會加熱到焊錫熔化的溫度，元件也會被放置到適當的位置。隨著焊料乾燥，元件也會被焊接。 HASL通常含有鉛作為焊料的化合物之一，但也存在無鉛選項。
線寬間距以虛線表示。例如，當您看到數字 6/6 mils 時，這表示最小線寬和最小線間距均為 6 mils。因此，此電路板上的所有間距都應達到或超過 6 mils。對於不熟悉 mils 的人來說，mils 單位用於確定 PCB 材料上的距離。對於設計用於處理大電流的電路板來說，寬度和間距尤其重要。
當PCB板採用多層結構時，無法目視檢查各個走線的可及性。因此，需要進行測試，將探針放置在走線末端，以驗證所有訊號是否可達。測試從一端施加電壓。如果從另一端偵測到這些電壓，則認為走線處於工作狀態。雖然對於只有一層或兩層的電路板來說，這項測試並非必不可少，但如果您真正關心質量，仍然建議進行。
連接內層和外層的過孔稱為盲孔。由於此類過孔只能從一側進行點焊，因此得名。連接兩層或多層內層的過孔稱為埋孔，無法從任何一側進行點焊。在包含盲孔和埋孔的電路板上，通常會使用填孔技術。這樣可以更牢固地保護外層，並有助於降低焊料滑過並穿透內層過孔的可能性。
材料選擇影響成本
如果 PCB 包含金片、盲孔或埋孔或填孔等特性，其成本通常會更高。同樣，線寬/線距小於 6 mil 的 PCB 成本也往往較高。這些價格較高的原因是，生產特殊 PCB 板時需要採用替代工藝。同樣，某些 PCB 板在採用低 mil 線寬或內孔時，利潤或成功率會遠不及 3 mil，因此會提高價格以彌補損失。有些製造商可以生產線寬/線距低至 XNUMX mil 的 PCB，但通常不建議這樣做，除非這是特定元件的唯一選擇。
功率和熱量對PCB材料選擇的影響
在所有影響 PCB 的因素中，功率和熱量是其中兩個最關鍵的因素。因此，確定這兩個因素的閾值至關重要，這可以透過評估 PCB 的熱導率來實現。熱導率定義了瓦數功率如何透過材料長度轉換為溫度。然而，目前尚無產業通用的熱導率值。
例如，羅傑斯公司（Rogers Corp.）的 PCB 材料 RT/duroid 5880 常用於電子戰和通訊領域。這種材料的介電常數較低，因為它是一種含有微纖維玻璃元素的複合材料。這些微纖維的作用是增強材料中纖維的強度。
由於介電常數較低，PCB 非常適合高頻應用。然而，由於材料導熱性低，它很容易發熱，這在高熱耗電應用中可能是一個巨大的缺陷。
PCB材料及產業應用
在軍事、航空航太、汽車和醫療等行業中，PCB 有單面和雙面兩種類型，其中一些採用覆銅板，另一些則採用鋁板。在這些行業中，PCB 材料在特定領域發揮最佳性能。因此，某些行業選擇 PCB 材料時會考慮其輕量化特性，而另一些行業則注重其高功率處理能力。因此，在考慮性能能力時，選擇 PCB 材料時，確定需要比較哪些功能至關重要，因為材料等級與性能等級相關。
柔性電路板與剛柔結合電路板
近年來，柔性電路板和剛柔結合電路板因其用途廣泛而日益普及。它們可以彎曲、折疊，甚至可以纏繞在物體上，因此可以實現平面電路板無法實現的應用。例如，柔性電路板可用於需要電路板以一定角度折疊，且無需連接面板即可將電流從一端傳輸到另一端的裝置。
市面上大多數柔性電路板均由杜邦公司生產的聚醯亞胺薄膜Kapton製成。該薄膜具有耐熱性、尺寸一致性以及僅為3.6的介電常數等特性。
Kapton 有三種 Pyralux 版本：
• 阻燃（FR）
• 非阻燃（NFR）
• 無黏合劑/高效能（AP）
選擇PCB板材質－品質第一
在選擇PCB板材料時，無論用於家用電子產品或工業設備，品質都是任何類型電路板構造中至關重要的因素。包含印刷電路板的組件可能大或小，價格可能便宜或昂貴，但最重要的是，該組件在其預期使用壽命的整個過程中都能提供卓越的性能。
雖然製造電路板的PCB材料種類繁多，但消費者和企業最終追求的是產品可靠性。當然，PCB板材料必須足夠堅固，即使元件意外掉落或側向撞擊，也能牢固地連接在一起，這一點也至關重要。
例如，在電腦設備上，耐用的PCB可以確保硬體更新不會損壞現有的PCB板材料。這同樣適用於電子設備、微波爐和其他依賴PCB技術保持正常運作的家用設備。即使在ATM等電子公共設施中，PCB也必須正常運作，以確保按鈕正常運作，指令能夠被及時理解。
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