选择pcb材料的最佳流程是什么

最近，I-Connect007开展了一项针对PCB设计师的调查，约三分之一的受访者表示，他们会查阅IPC称之为的材料规格单，如IPC-4101/126，其中包含了有关PCB材料的各种信息。但许多设计师表示，这些规格单中未囊括足够的信息。有些设计要求制造商选择材料，还有一些设计师说：“这是射频PCB，我总是使用供应商X的射频材料。”那么，选择PCB材料的最佳流程是什么？

Doug Sober在1996年开发了IPC-4101《刚性及多层印制板用基材规范》的第一份材料规格单，我们邀请他介绍了规格单，材料规格单是什么，其中不包括什么信息，以及为什么PCB设计师可能会通过专门为设计师开发的IPC材料指南而受益。

Doug Sober

Andy Shaughnessy：Doug，可以先谈谈你为IPC开发的材料规格单所做的工作吗？

Doug Sober：1978年，我开始在General Electric公司从事层压和半固化片业务，1980年被派去参加我的第一次IPC会议。我立即参与了与层压板、半固化片、铜箔、玻璃织物、树脂涂层箔等规范任务组的工作。我们开发的第一份标准是IPC-4101，但它并不是凭空产生的。有一份来自军方的标准——MIL-S-13949H，它规定了对基材的要求。这些要求涉及物理，如弯曲强度和剥离强度，Dk和Df等电气要求，Tg和浮焊等热学要求，以及如吸湿性和抗霉等环境要求。IPC-4101全部完成后，包含了各种类型的简单FR-4和聚酰亚胺基材的规格单。

军方有这些规格单，描述了特定的基材。作为层压板和半固化片生产商，必须使产品符合规格单的要求。例如，对应规格单21，需要一系列实验室测试证明产品符合要求。

然后，军方的国防电子供应中心（military – Defense Electronics Supply Center ，简称DESC）将在其合格产品清单（Qualified Product List ，简称QPL）上按商业名称列出我们公司的产品。

例如，Westinghouse公司的FR-4产品65M38，列在规格单21的QPL中。DESC的Lowell Sherman或Dave Corbett每年会审核每家基材供应商。3-11小组委员会创建IPC-4101时，以MIL-S-13949为基础，其原因是我们希望IPC-4101得到军方的认可，使用IPC-4101代替原有标准。1996年，Dave Bergman与军方高层谈判后，启动IPC-4101，停止使用MIL-S-13949。

在IPC-4101中，简单的FR-4也符合规格单21的要求。它的名称与MIL-S-1394中相同，即IPC-4101/21。这就是行业为何将每个规格单称为“斜线”表/24、/99、/126的原因。但是，我们所说的斜线表从来都不是设计指南，只是对基材提出最低要求，这样每种材料都可以买卖。每个规格单的标题部分都有一些通用的化学共性，还有其他描述性的词语。例如，IPC-4101/21表明没有填料的“大多数环氧树脂”，编织玻纤增强和Tg最小。

所以，当听到“对于斜线表，设计师很难决定使用什么材料”时，切记这不是它的初衷。一旦设计师有了他们想要的产品特性，就会通过采购部门进行采购。可互换使用术语“斜线表”和“规格单”。

对于像4101/126这样的规格单，有10—20个不同的拥有适合其要求的层压板和半固化片供应商，能够采购到这些材料，合理地相互替代。

现在，由于我们有这么多低Dk、低Df和超高Tg材料，我认为是时候为4101的刚性材料制定设计指南了。这是我审视3-11分委员会自1996年以来所做工作的思考过程。我们已经发布了很多带有规格单的基材规范，但我们应该开发帮助设计师的设计指南。目前有挠性印制板和高速/高频印制板设计指南，也应该开发标准刚性板的设计指南。

这个理念将是非常好的项目：组建由6—8名设计师和基材专家组成的Tiger Team团队，使用其他设计指南的作为模式，我们可以很容易地为这些材料开发设计指南。

Shaughnessy：难道设计师就不了解IPC设计指南吗？缺失环节在何处？

Sober：设计师们谈论的是高速和高频，所以他们在寻找低Dk和低Df。我们有最小值，或者在Dk和Df的情况下，这些属性有最大值。对于10GHz的Dk，最大值可以是0.008，但设计者可能想要小于这个值。他们想要性能更好的基材，但有时他们找不到符合其需求的规格单。

供应商的数据表是他们可以找到想要的实际Dk和Df的资源，因为供应商的数据表“应该”是采购材料时得到的典型值。

如果设计师在规划时使用数据表，他们可以在这些数据表的底部找到适用的规格单。每家基材供应商都把它们放在那里。合格证书规定必须参考此规格单。

如果4101标准太繁琐而无法处理，那么设计师就可以在那里找到这些数据。但作为行业专家，我们最好开发一份设计指南，列出适合应用的不同类型材料和规格单，例如，“对于高速路由器，使用斜线表X、Y或Z。”有了Tiger Team小组，他们可以很容易地提出这些要求。

Shaughnessy：更新斜线表的流程是什么？

Sober：很简单，与我们在4101中添加任何内容的流程相同。有人说，“我想添加一份新的斜线表”，主席将其列入议程。新数据表的提案人来参加3-11A会议，将其挂在墙上，进行讨论，并为其提出标题名。在后续会议中，我们投票决定是否应将其纳入IPC-4101修订版。在这个流程中，也可能会收到一些行业修改建议。例如，如果有人想包括需要断裂韧性或抗CAF作为要求，他们可以做演示文件。提案人必须推动新的斜线表，并说明他们认为其对行业很重要的原因。

Shaughnessy：斜线表主要是用来采购吗？

Sober：是的，它们是为采购部门和客户服务部门设计的，让他们可以轻松地反复订购。

Shaughnessy：听起来前进的道路在于为材料设计师开发特定的指南，而不是修改斜线表。

Sober：我认为该小组不会允许在每个规格单中列出目标应用领域。所以反过来，如果我们有设计指南，我们会说，“对于5G路由器，这些是最有可能采用的斜线表”。如果正在尝试为汽车应用提供高CAF阻抗，可以列出最适合这些应用的规格单。

Matties：关于清单和规格单，也会包括材料供应商吗？

Sober：是的，你可以这样做。但IPC的规则是不列出任何供应商的名字。我也认为标准中不应该列出供应商的名称。

我可能会通过IPC Works发布一份调查报告，其中的调查问题有：“我们希望开发一份设计指南来帮助设计师使用4101材料。你认为这是个好主意吗？你愿意参与吗？”基于此，IPC可以为设计指南创建另一个任务组。我仍想为业界贡献自己的微薄之力，仍然对新理念和新事物感兴趣。

我们需要一些设计师将他们的知识运用到设计指南开发中，他们可能来自不同的领域，比如汽车设计师、电信设计师和航空航天设计师。Denny Fritz的书中有一章关于设计的内容，他让我审核关于基材的章节。Gary Ferrari也做了同样的事情，其他一些人也做了。我们只需要汇集这些知识，并将其整合成为典型的IPC标准。

Shaughnessy：Doug，一些读者指定了材料，但另一些读者去找他们的制造商说，“你认为我们应该使用什么材料？”选择材料的最佳方法是什么？

Sober：很简单。如果购买的是高速、高频材料，是由OEM驱动的。在材料的高频端，没有可互换的材料。每个OEM都必须测试材料，以确保其在应用中有效，然后他们会特别告诉PCB制造商必须购买AGC 公司的A、B、C材料。它永远不会给出规格单。销售这些高速和高频材料的公司会直接联系OEM，跳过中间的所有环节，然后制造商被迫购买清单上的产品，不可进行修改。

在低端，制造商会告诉OEM，“这是你们的设计，这是我们最喜欢的半固化片和层压产品。”所以，他们把它列入了清单。在目前的市场上，有更多的采购是基于供应商的确切规格，而不是4101或4103包含的通用规格单。

对于中低端产品，OEM会问PCB制造商，“在这个范围内，你们最喜欢的材料是什么？”有时他们会说，“你告诉我们必须用这种材料来制造，而且这种材料很有效，会为我们进行材料测试吗？”这就是如何采用一些更中端材料的方式，但高端产品都是由OEM指定的，一直延伸到PCB制造商。

Shaughnessy：我在看4101/126，其中有很多关于材料的信息。设计师需要更多信息吗？

Sober：是的。信息从斜线表的标题开始，其描述了增强材料的化学成分和类型，可能是玻纤或Kevlar。它还描述材料是溴化阻燃还是无卤，这对设计师来说很重要。有些人关心填料和玻璃化转变范围，这些也列在标题中。然后按顺序列出的项目是：剥离强度、体积电阻率、表面电阻率、吸湿性、介电击穿、Dk、Df、高温下的弯曲强度，最后一项是耐电弧性。

现在，也许我们可以说，例如，134、126、150和130都非常适合制造低端服务器，并在设计指南中列出这些规格单。我们也可以列出适合航空航天、汽车或任何终端应用的规格单。

Happy Holden：当着眼于设计师的需求时，会发现IPC的标准一直是为OEM、制造商和供应商而开发的。但在设计领域一直较弱，所以开发设计指南来简化设计会有助于设计师和PCB行业，尤其是在更广阔的市场中有这么多新人的情况下。我们谈论汽车是有原因的：因为电动汽车领域，每年将制造8000万至1亿块额外的电路板。

PCB行业随着发展而变得越来越复杂。做出极佳的设计很难，因为适用于航空航天和高速的标准可能并不适用于汽车，汽车强调更高的可靠性、高电流和高电压。

Matties：在材料选择方面，设计师应该把注意力转向哪里？Doug，最重要的指标是什么？

Sober：在如今的行业，每个人都注重10GHz的Df。如果我正在做决策树，并且正在设计一些与低频天线有关的新产品，最多的就是Dk与这些要求相关。它涉及到一些可靠性因素，如Z轴膨胀和Td，分解温度，然后扩展到玻璃化转变温度。

但几乎可以根据目前看到的低Df材料构建决策树。从Dk和Df开始，然后是热可靠性特性，包括Tg，接着是剥离强度和CAF阻抗。这些似乎是关键因素。

Matties：Doug，非常感谢你。

Sober：谢谢。

编辑：黄飞