|
|
 |
電路板PCB板材的結構與功用介紹
現今的PCB的基材大底由CCL（Copper Clad Laminate，銅箔基板）與PP（Prepreg，絕緣膠片）層疊組合而成，而CCL則是由銅箔層(Copper Foil)、補強材(Reinforcement)、樹脂(Epoxy)等三種主要成份所構成，可是自從無鉛(Lead Free)製程開始後，第四項粉料(Fillers)才被大量加進PCB的板材中，用以提高PCB的耐熱能力。
我們可以把銅箔想像成是人體的血管，用來輸送重要的血液，讓PCB起到活動的能力；補強材則可以想像成人體的骨骼，用來支撐與強化PCB不至於軟蹋下來；而樹脂則可以想像是人體的肌肉，是PCB的脂肪。
（必須強調一下，這些內容是上課聽來的，因為本人沒有真正待過PCB基材或PCB板製造廠，所以內容不見得全對，如果你有發現內容有任何的疑問，也請不吝指教）
下面將這四種PCB材料的用途、特性與注意事項來加以說明：
1. Copper Foil（銅箔層）
- Electric Circuit：導電的線路。
- Signal line：傳送訊息的訊(信)號線。
-
Vcc：電源層、工作電壓。最早期的電子產品的工作電壓大多設為12V，隨著技術的演進，省電的要求，工作電壓慢慢變成了5V、3V，現在更漸漸往1V移動，相對地銅箔的要求也越來越高。
-
GND(Grounding)：接地層。可以把Vcc想成是家裡面的水塔，當我們把水龍頭打開以後，透過水的壓力（工作電壓）才會有水(電子)流出來，因為電子零件的作動都是靠電子流動來決定的；而GND則可以想像成下水道，所有用過或沒用完的水，都經由下水道流走，否則水龍頭一直排水，家裡面可是會淹大水的。
-
Heat Dissipation (due to high thermal conductivity) ：散熱用。有沒有聽說過某些CPU熱到可以把蛋煮熟，這其實不誇張，大多數的電子元件都會耗用能量而產生熱能，這時候需要設計大面積的銅箔來讓熱能盡快釋放到空氣當中，否則不只人類受不了，就連電子零件也會跟著當機。
2. Reinforcement（補強材）
選用PCB補強材的時候必須具備下列的各項優異特性。而我們大部分看到的PCB補強材都是玻璃纖維(GF, Glass Fiber)製成 ，仔細看的話玻璃纖維的材質有點像很細的釣魚線，因為具備下列的個性優點，所以經常被選用當PCB的基本材料。
- High Stiffness：具備高「剛性」，讓PCB不易變形。
- Dimension Stability： 具備良好的尺寸安定性。
- Low CTE：具備低的「熱脹率」，防止PCB內部的線路接點不至於脫離造成失效。
- Low Warpage：具備低的變形量，也就是低的板彎、板翹。
- High Modules：高的「楊氏模量」
3. Resin Matrix（樹脂混合材）
傳統FR4板材以Epoxy(環氧樹脂)為主，LF(Lead Free)／HF(Halogen Free)板材則採用多種樹脂與不同固化劑之搭配，使得成本上升，LF約20%，HF約45%。
HF板材易脆易裂且吸水率較大，厚大板容易發生CAF，需改採開纖布、扁纖布，並強化含浸均勻之物質。
良好的樹脂必須具備下列的條件：
- Heat Resistance：耐熱好。加熱焊接兩～三次後不會爆板，才叫耐熱性好。
- Low Water Absorption：低的吸水率。吸水是造成PCB爆板的主要原因。
- Flame Retardance：必須具備阻燃性。
- Peel Strength：具備高的「抗撕強度」。
- High Tg：高的玻璃態轉換點。Tg高的材料大多不易吸水，不吸水才是不爆板的根本原因，而不是因為高Tg。
相關閱讀：
PCB爆板的真因剖析與防止對策
何謂玻璃轉移溫度(Tg, Glass Transition Temperature) - Toughness：良好的「韌度」。韌度越大越不容易爆板。 Toughness又被稱作「破壞能量」，韌度越好的材料其承受衝擊忍受破壞的能力就越強。
- Dielectric properties：高的介電性，也就是絕緣材料。
4. Fillers System（粉料、填充料）
早期有鉛焊接的時候溫度還不是很高，PCB原本的板材還可以忍受，自從進入無鉛焊接後因為溫度加高，所以粉料才加進PCB的板材中來將強PCB抵抗溫度的材料。
Fillers應先作耦合處理以提高分散性與密著性。
- Heat Resistance
- Low Water Absorption
- Flame Retardance
- High Stiffness
- Low CTE
- Dimension Stability
- Low Warpage
- Drill processability：因為粉料的高剛性與高韌性，所以造成PCB鑽孔的困難度。
- High Modulus：楊氏模量
- Heat Dissipation(due to high thermal conductivity) ：散熱用。
延伸閱讀：
PCB爆板的真因剖析與防止
FPC結構—單面板及單銅雙做
PCB銅箔厚度、線寬與最大負載電流間的關係
防潮絕緣抗腐蝕漆－電路板表面被覆/塗布(Conformal coating)
|
|
訪客留言內容（Comments）
Hi 工作熊,
感謝你長期分享高品質的文章，以後集結成書可以造福很多電子製造業的同仁，都是很實際又很有趣的議題，keep on the good work!
有些coper你打成cooper囉。
Hsuan
感謝您分享許多專業的文章! 想請教一下,對於PCB在某些長壽命需求的產業(例如工業電腦,or太陽能產業要求10年…)應用上.是否可在PCB板材或設計上做什麼樣的材料選用或做法來達到10年甚至15年的耐用年限呢? 謝謝您!
訪客留言注意事項：
1.首次留言須通過審核後內容才會出現在版面上，請不要重覆留言。
2.留言時請在相關主題文章下留言，與主題不相關的留言將會被視為垃圾留言，請善加利用【搜尋框】尋找相關文章，找不到主題時請在「水平選單」的「留言板」留言。
3. 留言前請先用【搜尋框】尋找相關文章，自己做一點功課後再留言。沒有前因後果的內容，工作熊不一定會瞭解你在說什麼，就更無法回答你的問題。
4. 工作熊並非某一方面的專家，所以回答的內容或許會有不正確的地方，服用前還請三思。如果您想詢問關於電路板方面的工程問題，請前先參考這篇文章【詢問工程問題，請提供足夠的資訊以利有效回答】 把自己的問題想清楚了再來詢問，並且請提供足夠的資訊，這樣才能有效回答問題。
5. 工作熊每則留言都會看，但不會每則留言都回答，尤其是只有問候之類的內容。
6. 留言詢問時請注意您的態度，工作熊不是你的「細漢」，更沒有拿你的薪水，所以不接受吆喝工作熊的態度來回答你的問題。
7. 原則上工作熊不接受私下電子郵件、電話、私訊、微信或任何即時通聯絡。
8. 自2021年7月起Google將停止最新文章電子郵件通知，如果你想隨時接收部落格的最新文章可以參考這裡。
■High Tg：高的玻璃態轉換點。Tg高的材料大多不易吸水，不吸水才是不暴板的根本原因，而不是因為高Tg。
Tg高的材料大多不易吸水–>應該是Tg高的材料比較會吸水