了解PCB基材的NEMA分類標(biāo)準(zhǔn)

PCB基材的首次分類標(biāo)準(zhǔn)是由NEMA完成的，最早可以追溯到 1926 年，層壓熱固性材料的標(biāo)準(zhǔn)最初由電氣供應(yīng)制造商協(xié)會（Associated Manufacturers of Electrical Supplies）開發(fā)，該協(xié)會于1926年成為NEMA的供應(yīng)分部，并于 1927 年 10 月出版了《NEMA 供應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)手冊》（NEMA Handbook of Supply Standards），其中包含了四頁有關(guān)于層壓熱固性材料的標(biāo)準(zhǔn)。
1931 年 11 月，NEMA發(fā)布了《層壓酚醛產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)》（第 31-13 號出版物）。該出版物包含了《NEMA供應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)手冊》中的所有標(biāo)準(zhǔn)，并新增了紙基層壓板（X、XP、XX和XXX等級）和布基層壓板（C、CE、L和LE等級）的物理和電氣性能標(biāo)準(zhǔn)。
1939年11月，發(fā)布了第38-57號出版物。除了擴(kuò)展了之前等級的性能外，還新增了XXP、XXXP、A和AA等級的板材以及X、XX、C、CE和LE等級的卷制和模制管材。之后的NEMA版本包括：第46-118號出版物，LP 1-1951，LP 1-1955，LP 1-1959，LI 1-1965，LI 1-1971，LI 1-1983，LI 1-1998，LI 1-1998標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布之后，于2011年再次確認(rèn)，發(fā)布了 NEMA LI 1-1998（R2011）版本，也即此次文章參考的標(biāo)準(zhǔn)。此標(biāo)準(zhǔn)文檔的英文版及中文翻譯版老wu也會上傳在《PCB 設(shè)計 一板即成功專欄》的此篇文章的附件區(qū)，有需要的同學(xué)請自行下載參考閱讀。
NEMA的PCB用基材分類
NEMA中用于工業(yè)應(yīng)用的基材分類有許多種規(guī)格，其中常見的適用于PCB的有以下幾種：

基材的應(yīng)用
紙基酚醛樹脂基材

A: 紙基材 酚醛樹脂
B: 銅箔
XPC、XXXPC、FR-1、FR-2都是紙基酚醛樹脂基材，以漂白牛皮紙為增強(qiáng)材料，浸以酚醛樹脂溶液并經(jīng)干燥加工后，覆以涂膠的電解銅箔， 經(jīng)高溫高壓的壓制成型加工，所制成的覆銅板，稱為紙基酚醛覆銅板。最常用的、 生產(chǎn)量最大的紙基酚醛覆銅板是FR-1板和XPC板，XPC及XXXPC為非阻燃基材，F(xiàn)R-1、FR-2的阻燃的等級NAME要求為UL94 V-1，板材供應(yīng)商會提供更高等級的UL 94 V-0標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。
紙基酚醛樹脂基材的性能特點為價格便宜、相對密度小、可進(jìn)行沖孔加工等優(yōu)點，主要用于單面印刷線路板。一般應(yīng)用于民生家電、信息周邊產(chǎn)品與相關(guān)通信電子產(chǎn)品上，如：計算器、電話機(jī)、液晶電視、鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、光驅(qū)…等。
紙基環(huán)氧樹脂基材

A: 紙基材 環(huán)氧樹脂
B: 銅箔
FR-3是紙基環(huán)氧樹脂基材，用浸漬纖維紙作增強(qiáng)材料，浸以環(huán)氧樹脂溶液并經(jīng)干燥加工后，覆以涂膠的電解銅箔， 經(jīng)高溫高壓的壓制成型加工，所制成的覆銅板，稱為紙基環(huán)氧樹脂覆銅板。紙基環(huán)氧樹脂基材用于需要在潮濕條件下具有穩(wěn)定電氣性能的應(yīng)用中。它們結(jié)合了較高的阻燃性和比紙基酚醛基材等級更高的機(jī)械強(qiáng)度，且可進(jìn)行沖孔，阻燃等級要求為 UL94 V-1。
FR-3等級的基材目前已被CEM-3復(fù)合基材所替代。
玻璃布環(huán)氧樹脂基材

A: 玻璃編織布基材 環(huán)氧樹脂
B: 銅箔
FR-4、FR-5都是玻璃布環(huán)氧樹脂基材，由玻纖布做增強(qiáng)材料，浸以環(huán)氧樹脂，覆以銅箔經(jīng)高溫，熱壓而成的。其中FR-4是PCB中用量最大的一類基材。
阻燃性方面，F(xiàn)R-4和FR-5按 UL 94 測試時至少達(dá)到 UL 94 V-1 等級，板材廠商通常提供更高規(guī)格的 UL 94 V-0等級的產(chǎn)品。
復(fù)合基材
CEM-1

A: 紙基材 環(huán)氧樹脂
B: 玻璃編織布基材 環(huán)氧樹脂
C: 銅箔
這種材料是在中心部分使用浸漬了環(huán)氧樹脂的漂白牛皮紙，然后在上下兩側(cè)分別疊加浸漬了環(huán)氧樹脂的玻璃織布基材，再與銅箔疊合制成的層壓板。這種材料被稱為玻璃織布-紙基材復(fù)合環(huán)氧樹脂覆銅層壓板，通常也稱為復(fù)合環(huán)氧銅箔基板，主要用于制造單面。
CEM-1在機(jī)械性和制造成本上介于FR-4和XPC/FR-1之間，適用于沖孔與鉆孔加工。隨著CEM-1產(chǎn)品在耐漏電痕跡性(CTI)、尺寸精度和尺寸穩(wěn)定性等性能日益精進(jìn)，在批量制造的情況下已有產(chǎn)品使用CEM-1代替CEM-3、FR-4基板來降低成本。
CEM-3

A: 玻璃無紡布基材 環(huán)氧樹脂
B: 玻璃編織布基材 環(huán)氧樹脂
C: 銅箔
D: 玻璃無紡布
E: 玻璃布
這種材料是在中心部分使用浸漬了環(huán)氧樹脂的玻璃無紡布材料，然后在上下兩側(cè)分別疊加浸漬了環(huán)氧樹脂的玻璃織布基材，再與銅箔疊合制成的層壓板。主要用于制造雙面印刷電路板。
CEM-3的Tg、耐浸焊性、抗剝強(qiáng)度、吸水率、電擊穿、絕緣電阻、UL指標(biāo)等均能達(dá)到FR-4標(biāo)準(zhǔn)，所不同的是CEM-3抗彎強(qiáng)度低于FR-4，熱膨脹大于FR-4。在批量制造的情況下已有產(chǎn)品使用CEM-3代替FR-4基板來降低成本。
廣泛使用的FR-4
NEMA中最為廣泛使用的基材等級是FR-4，使用玻璃布作為增強(qiáng)材料，主要為環(huán)氧樹脂體系，阻燃等級達(dá)到UL 94 V-0的基材都被認(rèn)為是FR-4基材。
FR-4基材盡管包含類似的性能并且大部分都是環(huán)氧樹脂體系的，但這個范圍很廣。更為常見的情況是，會根據(jù)樹脂的Tg值進(jìn)一步劃分為三個溫度等級：

標(biāo)準(zhǔn)Tg：130°C

中Tg：150°C

高Tg：170°C
對于相對簡單的應(yīng)用，可以選擇Tg值為130~140℃的FR-4材料，對多層或厚度較大的電路板，以及對耐熱性能要求較高的產(chǎn)品，應(yīng)選擇Tg值為 170~180℃的 FR-4材料，盡管除Tg外，其他指標(biāo)如分解溫度Td、分層時間 T260 / T288也需一起考慮。
FR-4的UL等級：FR-4.0、FR-4.1
起初，F(xiàn)R-4材料是用溴化玻纖布增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂。隨著不同性能標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用范圍的增加，引進(jìn)了多種式樣的組件以滿足不同的應(yīng)用需求。其結(jié)果是，具有不同的組合物和不同性能等級的材料均被稱為FR-4。最終，美國保險商實驗室(UL)發(fā)起了對FR-4的重新分類，即 FR-4.0和 FR-4.1。
FR-4.0是原始溴化環(huán)氧樹脂基材料的一類，而FR-4.1則包含了非鹵素基阻燃劑樹脂系統(tǒng)。對 FR-4.1，溴化物、氯化物以及總的溴化物加上氯化物的含量有限。這一限制是總量不超過1500ppm，其溴化物和氯化物為900ppm。對樹脂系統(tǒng)，所有類別必須包括至少50%環(huán)氧樹脂，最大無機(jī)填料含量是45%。無機(jī)填料包括二氧化硅、滑石、黏土、氫氧化鋁、陶瓷和其他類型無機(jī)顆粒。
參考材料[1] NEMA LI 1-1998 (R2011)
[2] “印制電路手冊 – 設(shè)計與制造”，清華大學(xué)出版社，2019 年，第13-14頁