技术文章：覆铜板的阻燃性
PCB基板中的树脂等聚合物属于可燃物。线路板自身由一些缺陷或外界条件具备时，例如元器件过载导致过度发热，线路短路，继电器起弧等，可能导致组成PCB基板的树脂的燃烧，引发故障甚至火灾。因此，为了防止电气火灾、挽救生命、预防受伤和财产损失，对聚合物的阻燃的研究工作是一个相当重要的学术方向，是很多工业和消费产品的开发需求，也是各个国家安全标准和法规的要求。
阻燃并不等同于不燃烧。阻燃性能是指延缓着火、降低火焰传播速度，和离开火源后火焰迅速自行熄灭的性能。PCB基板的阻燃，指的是通过材料配方和工艺设计，使基板材料在遭遇高温或明火时不易燃烧、或燃烧后能迅速自熄，从而防止火势蔓延、保障电子设备安全。在学术研究和一些工业应用中，聚合物的阻燃性评价一般可以用极限氧指数（LOI）表示，意味着材料在空气中与火焰接触时维持平稳燃烧所需的最低氧气浓。氧指数越大,材料的阻燃性能越好。
但是，由于聚合物所处的环境(比如氧气浓度等)、自身状态等千差万别，任何评价材料耐燃的方法都只能在许多特别规定的条件下，针对某种目的(因素)而设计。燃烧性试验就是为了评价材料的耐燃能力而设计的一个标准的燃烧流程和评价分级方法。相比于极限氧指数，由美国UL公司（保险商实验室）提出的UL-94燃烧性测试标准和认证服务，在全世界的工业界和监管机构被广泛认可。因此，电子行业公认的，PCB基板的阻燃性测试需要按照UL-94的垂直燃烧性方法进行。值得一提的是，UL94不仅规定了垂直燃烧实验标准和等级，也规定了水平燃烧实验标准和等级；但垂直燃烧实验更适合高阻燃要求的场景，相比于水平燃烧更为严格。
正如前文所述，PCB基板阻燃性的测试采用UL94方法测试。相关标准有《设备与器具部件用塑料材料的燃烧性安全测试》UL94，中的7节：水平燃烧实验HB，和8节：50W垂直燃烧实验V-0，V-1或V-2。除此之外，IPC-TM-650手册的2.3.9D 《Flammability of Prepreg and Thin Laminate》和2.3.10B《Flammability of Laminate》分别规定了半固化片和薄板（厚度小于0.5 mm）和PCB基板的燃烧性评价方法，但定级方式与UL94有所差别，行业接受度不高。国标GB/T4722-2017第6.4章《印制电路用刚性覆铜箔层压板实验方法》燃烧性分别规定了垂直燃烧方法和水平燃烧方法，其中垂直燃烧等级判定为FV-0，FV-1与FV-2。判级方法与UL94类似。
宁波湍流实验室对于覆铜板材料的垂直燃烧实验，按照国标GB/T4722-2017第6.4.1开展。
样品的制备采用的是蚀刻掉铜箔的层压板。将样品制成尺寸为(125±5)mm×(13.0±0.5)mm的长条形，数量共计20个。边缘光滑，四个角轻微倒圆。这些试样需要经过预处理再测试。预处理将试样分为4组，每组5个。将前2组试样放入23℃，湿度为50%的环境中放置48小时以上。将另2组试样放入125℃的空气循环烘箱中保持24h，然后立即将试样放入干燥器中冷却至少4h。再进行下面的测试。
试验在定制的燃烧实验箱或关闭的通风橱中进行，试样、本生灯及医用脱脂棉的放置如图1所示。将试样长度方向上夹入试样夹，使试样垂直悬挂于燃烧箱中。点燃本生灯，将火焰调节至规定颜色和高度后，水平移至试样的末端中间位置，并使试样的末端距管口为规定距离，使试样接焰燃烧。从移入开始保持燃烧（10±0.5）s,然后将本生灯撤离。撤离本生灯的同时，试样继续燃烧，立即用计时器记录余焰的燃烧时间t1。当试样停止燃烧时，立即将本生灯移入，再次对试样剩余主要部分燃烧（10±0.5）s,然后将本生灯撤离。撤离火焰的同时,如试样继续燃烧,立即用计时器记录余焰时间t2。当第二次有焰燃烧熄灭后，如果试样上有灼热（无焰）燃烧，立即用计时器记录试样的余灼时间t3。观察和记录上述时间t1、t2、t2+t3以及是否烧到固定夹具；和试样是否滴落燃烧的颗粒。
值得一提的是，上述部分中，UL94标准对本生灯的气体、管径、长度、气体流量等都有更加详细的要求，上述因素对测试的结果会产生影响。两个实验之间需要开启抽风排去废气烟尘。燃烧实验箱或通风橱的大小也会影响测试结果。此外，试样的厚度对燃烧性结果影响极大，不同厚度试样的结果不具备可比性。
图1 垂直燃烧示意图。引自GB/T4722《印制电路用刚性覆铜箔层压板实验方法》19页
国标GB/T4722垂直燃烧等级判定 如下表1所示。该表与UL94的判定类似。其中FV-0对应的是UL94，V-0级别。以此类推。
行业里大多数具备阻燃性的覆铜板需要达到上述V-0的等级。因此，为了提升PCB基板的阻燃性能，一种有效的方法是在PCB基板的树脂中加入阻燃剂。阻燃剂的添加方式与阻燃剂种类是目前阻燃技术开发较为关心的两个方向。元素周期表中，第七族主族(F、CI、Br、I)的元素，称为卤族元素。卤族元素中，尤其是溴元素（Br）,具有较好的阻燃功能。早期的阻燃型环氧覆铜板(FR-4)和复合基覆铜板(CEM-1、CEM-3)，主要采用溴化环氧树脂，或添加含溴阻燃剂，达到阻燃效果。2000年以后，电子行业对绿色、环保、健康的追求，使得无卤阻燃基板成为普遍的考虑。目前，无卤阻燃环氧板技术已经较为成熟，市场产品较多。但是，在高频基板领域，出于性能上的综合考虑，部分溴系阻燃剂、甚至是含有氟元素的聚四氟乙烯材料本身，依然是微波行业内的主流材料选择。
目前，RoHS指令（欧盟及中国版本）淘汰了环境毒性明确且存在替代方案的PBBs/PBDEs（多溴联苯和多溴二苯醚类）而非所有含溴化合物。湍流电子的部分碳氢基覆铜板为了实现高效可靠的阻燃、优异的介电性能、和兼容无铅制程的优秀热稳定性，添加了满足RoHS豁免规定的含溴阻燃剂。因此，我司部分型号的碳氢覆铜板，溴元素总量超过900ppm，但满足RoHS的豁免条件。
湍流电子生产的高频覆铜板，从材料体系区分有三大类：PTFE-陶瓷， 碳氢-陶瓷-玻纤体系，碳氢-陶瓷。各体系下不同介电常数对应的型号，其阻燃性能，和是否含有卤素可参考下表：
