用于高速和高温应用的 FR4 板材替代品
发布日期：2022-08-19
关键要点：
PCB中使用的FR4材料隔离相邻的铜平面而不会短路，并为结构提供弯曲和整体弯曲强度。
FR4材料在确定PCB的耐用性和可用性方面起着重要作用。
复合环氧材料（CEM）是FR4材料的替代品。
现代PCB设计有望实现高速、多功能和紧凑的电路板空间利用率。而且，PCB材料必须具有高质量，耐温度变化且易于处理。FR4材料是一种广泛使用的PCB电介质材料，它表现出许多这些理想的品质。在本文中，我们将讨论FR4材料的特性以及一些可能的FR4替代品。
印刷电路板电介质材料
PCB介电材料对电路板的功能至关重要，特别是在PCB的集成度和性能方面。电路板的可靠性和性能受到所用PCB材料的热、电、化学和机械性能的严重影响。
PCB介电材料在导电铜层之间形成非导电基板层，是任何电路板的基础。PCB介电材料，又称PCB基板材料，形成电子元器件焊接形成电子电路的平台，走线相互连接。FR4是一种常用的PCB电介质材料。
FR4 材料
FR4材料在确定PCB的耐用性和可用性方面起着重要作用。它被普遍接受为具有严格机械强度要求的单面，双面和多层PCB的标准。
FR4是一种具有阻燃（FR）特性的编织玻璃纤维环氧复合材料。在单面和双面PCB中，有FR4芯，顶部和底部铜层。FR4材料也形成多层PCB的核心，并且在放置顶部和底部铜层之前，在两侧覆盖有预浸料材料。FR4的高玻璃化转变温度使其适用于高功率密度电路板。
FR4材料的特性
FR4材料隔离相邻的铜平面而不会短路，并为结构提供弯曲和整体弯曲强度。FR4的性能因制造商而异，FR4材料可以根据性能和应用细分为以下类型：
玻璃化转变温度Tg的标准FR4材料，约为130°C。 这是最便宜和最广泛使用的FR4材料。
玻璃化转变温度Tg左右的FR4材料约为170°C - 180°C。 这种FR4材料与无铅回流焊技术兼容。
另一种与无铅回流焊技术兼容的FR4材料是无卤素FR4材料。
归一化比较漏电起痕指数 （CTI） 大于 400 的 FR4 材料。CTI是PCB中使用的电介质材料的电击穿性能的量度。
任何PCB设计人员都会在PCB基板中寻找某些特性。FR4 的共同特性是：
柔性印刷电路板基板
高电绝缘性，高介电强度
机械强度高
防水或防潮
高强度重量比
轻
热稳定性或耐温性
对FR4替代品的需求
FR4是一种通用PCB基板材料。但是，FR4 可能不适用于某些情况，例如：
PCB长时间暴露在高温下会使FR4材料由于其导热系数低而有缺陷。使用FR4替代PCB基板是航空航天工业的常见做法。
在遵循 RoHS 合规性的国家/地区，首选无铅焊接。无铅焊接需要高温维护，而FR4材料不是此类应用的好选择。
使用FR4材料的电路板无法保持恒定的阻抗和反射，这排除了FR4在高频应用中的使用。在较高频率下，在FR4板的信号传播路径中观察到累积的偏斜和谐振损耗。不建议在高速电路板中使用FR4材料，以保持信号完整性和阻抗均匀性。
FR4替代品
当 FR4 材料由于信号完整性下降或强度要求而无法承受热量时，设计人员必须选择替代方案。让我们看一下本节中的一些 FR4 替代方案。
复合环氧材料 （CEM） - CEM 适用于高密度应用。有不同的CEM材料：CEM-1，CEM-2和CEM-3。CEM-1材料是纸张，编织玻璃环氧树脂和酚类化合物的混合体，非常适合单面PCB。它在较低的预算内提供类似于FR4的介电性能。与CEM-1材料相比，CEM-2材料具有更高的玻璃化转变温度。CEM-3材料是带电镀孔的双面PCB的绝佳选择。
聚四氟乙烯（PTFE）或特氟龙 - PTFE以特氟龙的品牌名称而闻名，通常用于涂覆不粘炊具。它是一种由碳和氟组成的合成聚合物。PTFE的玻璃化转变温度很高，在160-280°C之间。它具有相当好的介电强度，阻燃性，高防潮性，温度稳定性，隔热性和电气强度。PTFE基板适用于高速PCB、高频板、卫星和移动通信系统。
金属背板 - 金属背板或金属芯PCB通常用于LED照明行业。金属背衬板在延长LED的使用寿命以及增加单个PCB上的器件数量方面非常出色，而不会超过温度容差限制。它们具有以下优点：
轻
高性价比
高温稳定性
增强的耐用性
良好的散热性
因此，虽然FR4是为PCB奠定坚实基础的最流行的材料，但设计人员可能需要在某些高功率、高频或高温应用中考虑上述FR4替代品。为了帮助完成这一过程，Cadence提供了一些工具，用于编译PCB材料的电气和机械规格并将其与设计、仿真和文档记录连接起来。
