混合结构对我的PCB设计有意义吗？

在谈论技术世界时，我们经常关注电路和组件提供的性能，以跟上我们在商业业务和日常生活中使用的快节奏电子设备的速度。我们正在实现更高的处理器速度和频率，这在当前的印刷电路板（PCB）上变得越来越苛刻。然而，我们还需要关注可能影响PCB设计的应用规模。

设备变得越来越小，轻便和便携。从超薄手机到可穿戴设备（如智能手表），这些产品都需要微电子制造能力与标准表面贴装技术（SMT）相结合，以创建能够可靠地满足更高性能要求的PCB，而不会因PCB造成的操作限制较小的尺寸。SMT和微电子制造的合并也称为混合PCB制造。

什么是混合PCB？

混合PCB涉及使用不同的材料而不是一种材料来创建衬底核心层以及介电层。使用不同材料的目的是尝试将所有正极材料带入PCB制造过程中（例如，更高的信号性能，更稳定的介电常数和良好的电气强度），同时减少一种材料可能产生的负面影响。通过使用具有更好的热膨胀系数（CTE）率的异种材料来实现（例如，较差的传热能力）。

混合PCB可以使用哪种类型的材料？

当谈论不同的材料时，它们可能是放在同一PCB上的两个完全不同的层压板，例如FR-4和PTFE。这些层也可以由同一材料系列中的不同层压板组成，例如Rogers Corporation提供的陶瓷填充的PTFE层压层压3000系列，因为制造商将对材料的配方进行微小的更改以创建各种介电常数率和耗散因数，因此该材料可用于特定应用。

用于混合印刷电路板的异种材料的类型将取决于应用程序的用途，其电源需求，环境因素以及其他设计方面。常用的材料类型包括：

FR-4

阻燃剂4（FR-4）是增强的玻璃环氧树脂，在整个PCB行业中都是标准的。由于它的低成本，高介电强度和良好的电绝缘性，因此非常需要它，因为它还具有耐热性和防潮性，因此可以在广泛的应用中使用。但是，有一些挫折使它们不适用于高数字电路或正在开发的较新的更高频率（第五代或5G无线通信）。它在微波频率下会遭受较高的介电损耗。

聚四氟乙烯

聚四氟乙烯（PTFE），也称为聚四氟乙烯，是机织玻璃纤维/陶瓷填充塑料，在开发高速PCB时可以替代FR-4层压板。它们的介电常数比约为3.5或更低，使其成为要求低信号损耗和更好的阻抗控制的高频应用的理想选择。PTFE还具有较高的机械稳定性，因此也可用于承受较高温度的应用。PTFE的缺点是它的价格比FR-4高，尽管它具有温度稳定性，但在较高温度下会遭受介电损耗，并且由于是较软的材料而导致尺寸变化。

聚酰亚胺

当聚酰亚胺用于刚性-柔性和柔性PCB时，我们经常谈论它。然而，这种柔性聚合物薄膜也可以很好地用于混合，多层PCB应用。该材料具有很高的耐化学性，在很宽的温度范围内都能很好地工作，并具有良好的电性能。聚酰亚胺层压板柔软而轻巧，使其适合便携式应用。聚酰亚胺层压板的主要缺点之一是成本，因为它们比FR-4和PTFE更昂贵。

为什么要使用不同的材料进行混合设计？

使用不同材料制造多层PCB的主要原因是通过将某些层压板与其他层压板提供的优异特性相结合，来限制某些层压板中较差的机械和结构性能。例如，PTFE具有出色的电气特性，但在某些温度下仍会遇到结构完整性问题。为了弥补这一缺点，制造商可以将聚酰亚胺结合到这些层中，因为它具有更好的机械性能。

使用多种材料组合的另一个原因是在降低成本的同时仍在必要时获得必要的高性能。FR-4和PTFE通常会与混合设计结合使用。低成本的优势使FR-4可以为低速应用提供足够的优势，而PTFE将用于更关键的PCB功能。此外，FR-4可用于平整层压板的厚度问题。可以在某些地方添加它作为胶水，将所有东西固定在一起，并提供更均匀的印刷电路板。

设计混合PCB时应了解的问题

在尝试提供既能提供所有优势又能降低潜在成本的多层PCB时，在设计阶段选择材料时必须考虑几个重要因素。每个层压板（FR-4，FTPE和聚酰亚胺）的CTE值都不同。该值表示层压材料在不同温度下将经历的尺寸变化量。当沿着PCB的热量增加时，如果CTE比率很高，则材料会膨胀。太大的膨胀会导致PCB层压板翘曲，更快分解或分离。

对于多层混合PCB，层分离是必须解决的主要问题。由于制造商将使用具有不同CTE速率的不同材料，因此一种材料可能会在温度变化时膨胀，而另一种材料会收缩或变化很小。因此，各层分离。基材上的铜界面也会发生分层。层压板开始剥离。了解材料分层的时间对于处理应用程序中的主要温度波动至关重要，这样就可以解决这些问题。

设计混合印刷电路板时的另一个重要问题涉及堆叠过程。为了满足指定的整体厚度要求，同时又不影响所需的频率，必须为每个面板和每块提供合适的PCB厚度。然而，将用于混合式PCB的粘合剂系统会根据所使用的材料而有所不同。提供适当的绝缘量可以确保PCB的厚度正确，因为通常会使用无流动的FR-4预浸料。但是，添加的材料可能会使PCB对于实际应用而言太厚。

最后，并非每个公司都具备创建混合PCB的知识或经验。PCB制造商的工艺可能会有所不同，并且可能会与特定的材料或电路板应用（例如刚性挠性或柔性PCB）一起使用。此外，制造商将需要意识到在蚀刻多层PCB时发生的特定问题，例如蚀刻掉铜时的材料收缩（收缩），这可能会影响层压板的制造过程。

在设计概念的早期阶段与制造商交谈可以使他们了解您的应用程序需求，因为他们可以建议可以使用的材料类型。此外，您可以了解有关制造商的功能和机器流程的更多信息，以了解它们是否适合您的PCB项目。

什么时候应该使用混合式PCB？

选择合适的时间来构建混合PCB将主要取决于应用程序的功能，将出现的温度，PCB频率的类型以及成本。混合构建的重要方面之一是，当您开发具有所有所需电气和机械特性的PCB时，它可以让您扩展自己的创造力，从而可以提供更适合定制的定制PCB为应用程序。

同样，成本因素将在混合设计中起重要作用。寻求较低的PCB成本可能会导致质量较低的电路板无法实现其所需功能。仅使用一种类型的PCB层压板时，通常会发生此问题。相反，您可以获得在不需要较高功能或频率的地方使用较便宜的材料的成本优势，并在PCB的特定部分添加少量的较高成本的材料，以提高机械，电气和热性能。 。