目前，材料已不再是PCB设计中的被动组成部分，它在PCB的可制造性、可靠性和运行速度等方面发挥着积极的作用。近日，I-Connect007主编Nolan Johnson采访了San Diego PCB Design公司创建者Mike Creeden，他们共同探讨了设计师在选择材料过程中应该考虑的几个关键特性。

Nolan Johnson：Mike，你可以简要做一下自我介绍并和我们谈谈你现在的工作内容吗？

Mike Creeden：我一手创建了San Diego PCB Design公司，之后有机会将公司出售给了Milwaukee Electronics/Screaming Circuits，所以说我们成为了Milwaukee Electronics旗下的公司。同时我也是EPTAC讲师，主要教授IPC的CID和CID+课程，我是MIT（IPC的主任培训师）。

Johnson：PCB开发人员应该在设计周期内考虑材料选择吗？

Creeden：这是个好问题。从项目开始的第一天就应该考虑材料选择，因为此时是“正确按照结构”设计产品的最佳时期。我不想设计好产品后，在开发阶段的最后几天才去咨询我的制造商。如果材料缺货，需要延迟采购，最后可能导致设计周期延长。你希望能确保材料有足够的库存，还希望制造商和供应链能够为你提供指导意见，确保你做出正确的选择。当你很晚才着手做这件事的时候，你可能很快就能选好材料，但却没有足够的时间去确保所选的材料是恰当的选择。人们要做出材料技术决策，而这一决策应该在设计的早期阶段，越早敲定越好，这样才能留出足够的时间进行调整。

Johnson：你的意思是材料发挥着越来越重要作用。对于设计人员，尤其是对于那些新入行的设计人员而言，为什么材料会如此重要呢？

Creeden：你如果见到过闪电，那你大概会看到闪电从云层劈到地面。还有静电，如果周围光线较暗，你会看到火花飞溅。每次你在布线的时候，能够见到的情况就是这样的。过去，电路走线本质上是直流电，周围环境并不是太重要，而如今你需要管控一个电磁场。这个电磁场是电容性的，走线最好靠近它的返回路径（高电容性）。它同时也是磁场，是电感性的。这就是信号沿回路（低电感）传播的方式。还要管理EM能量场，你要做的不仅仅是通过走线连接两个点，能量场并不存在于走线内，而是存在于走线及其返回路径之间，返回路径通常是一个充当基准点的GND层；因此，能量存在于这两者之间的介质材料中。所以说所有材料的参数也是电路性能的组成部分。

材料的电气特性用介电常数（Dk）来衡量，以εr表示。介电常数表示能量在不同频率下穿过材料的能力。同时还可以用损耗因数（Df）来衡量，也叫做损耗角正切值，损耗因数测量有多少能量耗散或损失在材料中。能量场会在介质材料内传播。材料会抵抗能量的流动，而且每种材料都有一个已知的测量值。空气的介电常数εr是1，FR-4材料的平均介电常数εr约为4。速度较快的电路需要阻抗小和能量损耗低，所以高速材料的介电常数εr范围可低至3。

随着电路的速度越来越快，大多数人都将速度等同于电路的频率，但必须理解的是上升时间（Tr）内测量到的每个脉冲传递的能量与电压/频率相关。也就是当信号从零达到其电压的信号转换过程中这股能量确定了它的场。为了控制这个能量场，必须要了解材料选择是电路功能的组成部分。工程师和设计师从第一天开始就要考虑到所有这些因素。

材料发挥着重要作用，但设计师必须要练就优秀的设计技能才能保证不会由于违反信号返回路径、阻抗匹配或信号串扰而导致出现信号完整性问题。另一个电子产品需要考虑的因素就是织物图形的一致性，因为编织物和树脂之间的Dk差存在异，所以作为解决方案，他们使用的材料叫做铺展编织织物。他们将织物铺展开来形成一致的Dk，这对于差分对走线的性能而言是必不可少的。

机械特性和物理特性会影响到结构完整性与制程。由于玻璃态转化温度（Tg），材料的树脂会因温度变化从固态转变成橡胶态。在考虑多层电路板时，这是很重要的一个因素。介质材料通常由会在X轴-Y轴膨胀的玻璃织物组成，而树脂会在Z轴膨胀。热膨胀系数（CTE）衡量Z轴膨胀，热膨胀会威胁到导通孔电镀的结构完整性，而导通孔又是PCB上最脆弱的结构。在开始生产HDI电路板时需要考虑的另一个物理特性叫做热分解温度（Td），这种电路板的生产过程需要经过多个层压（热）周期才能得到想要的结构。材料可能会在制造、测试和环境应力等阶段因温度剧增而承受过多热量，以至于出现分解。

要根据你的应用来做好相应的研究，确保材料的物理和机械特性符合要求，同时也要满足制程的要求。在制造过程中，材料可能是第一次经历温度剧变，也有可能是经历了最严酷的温度剧变。

Johnson：还有其他和材料相关的具体细节是设计师应该考虑的吗？

Creeden：当然有。目前另一个需要考虑的重要因素就是散热特性。在很多不同的市场领域中，终端用户会把他们的电路板放在高温环境下。为了解决散热问题，我们看到很多领域会使用不同的聚酰亚胺材料，例如汽车的引擎盖内就是温度极高的运行环境。

我们已经讨论了介质材料，但电路材料的另一个重要组成部分是铜。很久之前，铜就已经是我们选用的导体金属。铜有两种形式。一种是存在于孔内和表面上的电沉积铜，另一种是铜，底铜可滚压到半固化片上或直接覆在内芯层压板上。之所以使用铜这种金属是因为它导电性极强、电阻小、能传送电压/电流。这种材料价格实惠、储量充足且容易制造。底铜的厚度各不相同。当你亲手托着几张不同重量的铜片时，你会惊讶它们的重量是如此易于区分。而且铜能够散热，这是很重要的一个优点。如果你将电源层和接地层紧邻着放到一起（紧邻着是为了良好的耦合），这两者都是很厚的铜层，一般情况下你可以使用更大的电流，所以说这是铜材料具备的另一个特性。

但要将铜放置在半固化片上时，就需要粘合。在层压加工时，树脂需要附着到金属上。一般情况下，金属的一侧是光滑的，另一侧是粗糙的，你可以使用粗糙的一面来粘合材料，粗糙面具有粘合材料所要求的附着力，可以将铜固定在材料上。衡量附着力的方式是剥离强度。如果你需要返工焊接，高剥离强度可帮助实现返工焊接，尤其是在焊盘较小时，它们可能会直接从电路板上剥离下来，导致电路板被损坏。所以需要用粗糙面将其固定住。

如果你用显微镜来观察铜箔的剖面，你就会看到铜箔的粗糙面，从高速电路角度来看这会造成一定问题。场在走线底部和走线下方接地层之间传播时，大多数能量是集中在走线底部，也就是粗糙面的一侧。因此，粗糙铜的拓扑结构并不利于趋肤效应，也就是说电子会在铜层面向接地层一侧的表面发生碰撞。行业想出的解决方案是生产超低轮廓的铜，但这又要面临附着力与剥离强度的挑战。我看到工程师考虑将接地层放在铜层光滑面一侧的对面，试图将波引到光滑面。但并不是所有的电路都能做到这一点，如果你受困于铜的粗糙面，那这种方法也不失为一种可行方案。带有较强附着力的低轮廓铜是我们目前需要的高阶材料。

此外，器件和电路变得越来越小。标准的BGA引脚间距是1.0 mm，但BGA引脚间距不断变小（0.8英寸、0.65英寸、0.5英寸、0.4英寸、0.35英寸、0.25英寸甚至更小……），所以高分辨率的矩形方边走线就变得非常重要。传统制造工艺中的蚀刻技术是一种减成法工艺，导致互连的几何形状是梯形。而且想要生产出小于88 µm（0.0035英寸）的梯形微走线是非常困难的，而且对于这个尺寸也达不到精度要求。分辨率变得至关重要，而且微型走线应该具备界限清晰的方形边缘。使用一些加成法工艺或半加成法工艺能够达到这种要求。有些干膜光致抗蚀剂材料会用于这种用途，随着人们必须使用微走线和微特征，这种材料的使用会变得越来越普遍。Ormet的烧结浆料对于任意层数的HDI导通孔而言都是最佳创新材料之一，再加上DuPont推出的导电油墨，这种创新材料有助于满足目前出现的打印电子产品的需求。

Johnson：Mike，你的介绍非常全面。你还想分享其他内容吗？

Creeden：永远都要考虑其他因素。设计工程师的好奇心永远在驱使他们去考虑所有因素，在这方面的辛勤付出会得到丰厚回报。这个职业永无止境，追求卓越才能使我们不断进步。确保材料适用于电路，这一点已不再是未来需要考虑的因素了。这是现在面临的挑战，我们应该书写成属于我们自己的成功故事。