PCB-Technologie - Auswahl des Leiterplattenmaterials: elektrische und Fertigungsfaktoren

Bei der Auswahl eines Leiterplattenmaterial, Es ist wichtig, die richtige Wahl für Ihr Design zu treffen, da das Material die Gesamtleistung beeinflusst. Wenn Sie verstehen, wie sich thermische und elektrische Eigenschaften auf Ihr Design auswirken, bevor Sie in die Fertigungsphase eintreten, können Sie Zeit und Geld sparen und gleichzeitig die besten Ergebnisse erzielen..

Die PCB-Stack-Struktur soll eine Mehrschichtige Leiterplatte in kontinuierlicher Folge. Das Laminat besteht aus magnetischem Kern, Prepreg und Kupferfolie. Allgemein, die Stapelung ist symmetrisch. Die Plattenstärke der meisten Produkte ist weniger als 62 mils.

Welches Material wird für die Leiterplatte verwendet?

Auswahl des Leiterplattenmaterials: elektrische und fertigungstechnische Überlegungen

Leiterplattenmaterialien: Folie, Kern und Prepreg

Verwenden Sie die folgenden drei Elemente, um Leiterplatten herzustellen:

Prepreg: B-stufiges Material, das klebrig ist und das Verkleben verschiedener Laminate oder Folien ermöglicht

Kupferfolie: verwendet als Leiter in der Leiterplatte.

Kupferplattiertes Laminat (Kern): Laminiert und ausgehärtet durch Prepreg und Kupferfolie.

Grundlegende Eigenschaften von dielektrischen Werkstoffen

Wir wissen, dass PCB-Laminate aus dielektrischen Materialien hergestellt werden. Bei der Auswahl eines Laminats müssen wir die verschiedenen Eigenschaften des verwendeten dielektrischen Materials berücksichtigen.

Thermische Leistung:

Glasübergangstemperatur (T g): Die Glasübergangstemperatur oder T g ist der Temperaturbereich, bei dem das Substrat von einem glasigen, starren Zustand in einen erweichten, verformbaren Zustand wechselt, wenn die Polymerkette beweglicher wird. Wenn das Material abkühlt, kehren seine Eigenschaften in seinen ursprünglichen Zustand zurück. T g wird in Grad Celsius (°C) ausgedrückt.

Zersetzungstemperatur (T d): Die Zersetzungstemperatur oder T d ist die Temperatur, bei der das PCB-Material chemisch zersetzt wird (das Material verliert mindestens 5% seiner Masse). Wie T g wird T d auch in Grad Celsius (°C) ausgedrückt.

Wärmeleitfähigkeit (K): Wärmeleitfähigkeit oder k ist die Eigenschaft eines Materials, Wärme zu leiten; Niedrige Wärmeleitfähigkeit bedeutet niedrige Wärmeübertragung, und hohe Leitfähigkeit bedeutet hohe Wärmeübertragung. Die Wärmeübertragungsrate wird in Watt pro Meter pro Grad Celsius (W/M °C) gemessen.

Koeffizient der thermischen Ausdehnung (CTE): Der Koeffizient der thermischen Ausdehnung oder CTE ist die Ausdehnungsrate des Leiterplattenmaterials bei Erwärmung. CTE wird in Teilen pro Million (ppm) pro Heizgrad Celsius ausgedrückt. Steigt die Temperatur des Materials über T g, steigt auch der CTE an. Der CTE des Substrats ist normalerweise viel höher als der von Kupfer, was bei Erwärmung der Leiterplatte zu Verbindungsproblemen führen kann.

Elektrische Eigenschaften:

Dielektrizitätskonstante (E r oder D k): Die Berücksichtigung der Dielektrizitätskonstante des Materials ist sehr wichtig für die Berücksichtigung der Signalintegrität und Impedanz, die ein Schlüsselfaktor für die elektrische Leistung hochfrequenter Frequenzen ist. Das Er der meisten PCB-Materialien liegt im Bereich von 2.5 bis 4.5.

Die Werte im Datenblatt gelten nur für den spezifischen (meist 50%) Harzgehalt im Material. Der tatsächliche Prozentsatz des Harzes im Kernmaterial oder Prepreg variiert mit der Zusammensetzung, so dass D k variiert. Der Kupferanteil und die Dicke des extrudierten Prepregs bestimmen letztlich die Medienhöhe. Die dielektrische Konstante nimmt im Allgemeinen mit zunehmender Frequenz ab.

Verlusttangente (tanδ) oder Verlustfaktor (D f): Verlusttangente oder Verlustfaktor ist die Tangente des Phasenwinkels zwischen dem Widerstandsstrom und dem Blindstrom im Dielektrikum. Der dielektrische Verlust steigt mit dem Wert von D f. Ein niedriger Wert von D f führt zu einem "schnellen" Substrat, während ein großer Wert zu einem "langsamen" Substrat führt. D f nimmt mit der Häufigkeit leicht zu; Für Hochfrequenzmaterialien mit einem sehr niedrigen D f-Wert ist seine Änderung mit der Frequenz sehr gering. Der Wertebereich beträgt von 0.001 bis 0.030.

Normale Geschwindigkeit und Verlust: Normale Geschwindigkeit Material ist die gebräuchlichste PCB Material-FR-4 Serie. Ihre dielektrische Konstante (D k) und ihr Frequenzgang sind nicht sehr flach, und sie haben einen höheren dielektrischen Verlust. Daher ist ihre Anwendbarkeit auf wenige GHz-Digital/Analog-Anwendungen beschränkt. Ein Beispiel für dieses Material ist Isola 370HR.

Mittlere Geschwindigkeit und Verlust: Materialien mit mittlerer Geschwindigkeit haben eine flachere D k vs. Frequenzgangkurve, und dielektrische Verluste betragen etwa die Hälfte der Materialien mit normaler Geschwindigkeit. Diese sind für bis zu ~10GHz geeignet. Ein Beispiel für dieses Material ist Nelco N7000-2 HT.

Hohe Geschwindigkeit und geringer Verlust: Diese Materialien haben auch eine flachere D k und Frequenzgangkurve und einen niedrigen dielektrischen Verlust. Im Vergleich zu anderen Materialien produzieren sie auch weniger schädliche elektrische Geräusche. Ein Beispiel für dieses Material ist Isola I-Speed.

Sehr hohe Geschwindigkeit und sehr geringe Verluste (HF/Mikrowelle): Die Materialien, die für HF/Mikrowelle Anwendungen verwendet werden, haben den flachsten D k und Frequenzgang und den kleinsten dielektrischen Verlust. Sie sind für Anwendungen bis zu ~20GHz geeignet. Ein Beispiel für dieses Material ist Isola I-Tera MT40 und Tachyon 100G.

Signalverlust und Betriebsfrequenz

Leiterplattenmaterialien können die Signalintegrität von Hochfrequenzschaltungen beeinflussen. Sie können die Dämpfung auf der Leiterplatte minimieren, indem Sie das richtige PCB-Substrat und die richtige Kupferfolie auswählen. Wenn es um Signalverlust in Leiterplatten geht, spielen diese beiden Materialien eine sehr wichtige Rolle. Der Signalverlust umfasst dielektrische Verluste und Kupferverluste.

Dielektrischer Verlust

Dielektrische Materialien bestehen aus polarisierten Molekülen. Diese Moleküle vibrieren im elektrischen Feld, das durch das zeitverändernde Signal auf der Signalbahn erzeugt wird. Dies erwärmt das Dielektrikum und verursacht den dielektrischen Verlust Teil des Signalverlustes. Dieser Signalverlust nimmt mit zunehmender Frequenz zu. Der Einsatz von Materialien mit einem geringeren Dissipationsfaktor kann den Signalverlust minimieren. Je höher die Frequenz, desto größer der Verlust eines bestimmten Materials. Dies ist auf das sich ständig verändernde elektromagnetische Feld zurückzuführen, das molekulare Schwingungen im dielektrischen Material verursacht. Je schneller das Molekül vibriert, desto größer ist der Verlust.

Kupferverlust

Der Kupferverlust hängt im Wesentlichen mit dem Strom zusammen, der durch den Leiter fließt. Elektronen können nicht immer durch die Mitte des Leiters fließen. Wenn die Kupferspur mit Nickel abgeschlossen ist, kann der größte Teil des Stroms durch die Nickelschicht fließen. Mit zunehmender Frequenz wird der Hauteffektverlust größer. Dies kann durch Vergrößerung der Spurbreite kompensiert werden, wodurch wiederum eine größere Fläche entsteht. Breitere Spuren führen immer zu geringeren Hautwirkungsverlusten. Das Profil der Kupferfolie-dielektrischen Zahnschnittstelle erhöht die effektive Länge und erhöht dadurch den Kupferverlust. Es wird immer empfohlen, dünnes oder sehr dünnes Kupfer zu verwenden.

Um Leiterplattenmaterialien besser auszuwählen, unterteilt die Tabelle unten die Basismaterialien in verschiedene Kategorien entsprechend Signalverlustmerkmalen.

Auswahl des Leiterplattenmaterials: elektrische und fertigungstechnische Überlegungen

Vergleich der Leiterplattenmaterialkategorie der Verlusttangente bei 10 GHz

Auf der linken Seite haben wir Materialien wie FR-4, Standard- und einfach zu verarbeitende Alltagsmaterialien, die für jede Anwendung verwendet werden können. Aber sie sind auch die verlustbehaftesten Laminate. Es kann auch eine Vielzahl anderer elektrischer und mechanischer Probleme haben. Materialien wie Isola I-speed, Isola Astra und Tachyon weisen geringe Verluste bei hohen Frequenzen auf.

Auswahl der Kupferfolien

Im Folgenden sind einige Eigenschaften, die wir bei der Auswahl von Kupferfolie berücksichtigen müssen:

Kupferdicke: Typische Dicken reichen von 0,25 Unzen (0,3 Mils) bis 5 Unzen (7 Mils).

Kupferreinheit: Es ist der Prozentsatz des Kupfers in der Kupferfolie. Die Reinheit der elektronischen Gradekupferfolie ist etwa 99.7%.

Kupferdielektrisches Schnittstellenprofil: Dünne Art hat niedrigen Signalkupferverlust bei hoher Frequenz.

Kupferfolie

Kupfergalvanik: Dieses Kupfer hat eine vertikale Kornstruktur und eine rauere Oberfläche. Galvanisiertes Kupfer wird normalerweise für starre Leiterplatten verwendet.

Kalenderkupfer: Eine Kupferart, die durch Verarbeitung zwischen schweren Walzen sehr dünn wird und bei der Herstellung flexibler Leiterplatten weit verbreitet ist. Kalandriertes Kupfer hat eine horizontale Texturstruktur und eine glattere Oberfläche, was es zu einer idealen Wahl für starr-flexible und flexible Leiterplatten macht.

Best Practices für die Auswahl des Leiterplattenmaterials

Wärmeausdehnungs-Matching-Koeffizient (CTE): CTE ist das kritischste thermische Merkmal des Substrats. Wenn die Komponenten des Substrats unterschiedliche CTEs aufweisen, können sie sich während des Herstellungsprozesses unterschiedlich schnell ausdehnen.

Wählen Sie eine kompakte Basisstruktur: Die D k-Verteilung in einer kompakten Basisstruktur ist gleichmäßig.

Vermeiden Sie den Einsatz von FR (flammhemmend)4 in Hochfrequenzanwendungen: Dies liegt an seinem hohen dielektrischen Verlust und der steileren D k vs. Frequenzgangkurve. (Für Frequenzen unter 1 GHz).

Weniger hygroskopische Materialien verwenden: Hygroskopizität ist die Fähigkeit des Leiterplattenmaterials (in diesem Fall Kupfer), Wasseraufnahme zu widerstehen, wenn es in Wasser getaucht wird. Es ist die prozentuale Gewichtszunahme von PCB-Material aufgrund der Wasseraufnahme unter kontrollierten Bedingungen nach Standardtestmethoden. Die meisten Materialien haben Feuchtigkeitsaufnahmewerte im Bereich von 0,01% bis 0,20%.

Always use CAF-resistant materials: Conductive anode filament (CAF) is a metal filament formed by an electrochemical migration process that is known to cause Leiterplattenfehler. Die Verwendung von Anti-CAF-Materialien ist eine der effektivsten Möglichkeiten, die Bildung und das Versagen von CAF zu verhindern.