Tecnologia PCB - Selezione del materiale PCB: fattori elettrici e di produzione

Quando si sceglie un materiale PCB, è importante fare la scelta giusta per il vostro design perché il materiale influisce sulle prestazioni complessive. Capire come le caratteristiche termiche ed elettriche influiscono sul vostro progetto prima di entrare nella fase di produzione può farvi risparmiare tempo e denaro ottenendo al contempo i migliori risultati.

La struttura dello stack PCB è quella di costruire un PCB multistrato in una sequenza continua. Il laminato è composto da nucleo magnetico, prepreg e foglio di rame. Generalmente, l'impilamento è simmetrico. Lo spessore del bordo della maggior parte dei prodotti è inferiore a 62 mil.

Che materiale viene utilizzato per il circuito stampato?

Selezione del materiale PCB: considerazioni elettriche e di fabbricazione

Materiali PCB: foglio, anima e prepreg

Utilizzare i seguenti 3 elementi per produrre circuiti stampati:

Prepreg: materiale dello stadio B, che è appiccicoso e permette l'incollaggio di diversi laminati o fogli

Foglio di rame: utilizzato come conduttore nel PCB.

Laminato rivestito di rame (nucleo): laminato e indurito da prepreg e foglio di rame.

Caratteristiche fondamentali dei materiali dielettrici

Sappiamo che i laminati PCB sono fatti di materiali dielettrici. Quando si sceglie un laminato, dobbiamo considerare le varie caratteristiche del materiale dielettrico utilizzato.

Prestazioni termiche:

Temperatura di transizione del vetro (T g): La temperatura di transizione del vetro o T g è l'intervallo di temperatura al quale il substrato passa da uno stato vetroso e rigido a uno stato ammorbidito e deformabile man mano che la catena del polimero diventa più mobile. Quando il materiale si raffredda, le sue caratteristiche torneranno al suo stato originale. T g è espresso in gradi Celsius (°C).

Temperatura di decomposizione (T d): La temperatura di decomposizione o T d è la temperatura alla quale il materiale PCB subisce la decomposizione chimica (il materiale perde almeno il 5% della sua massa). Come T g, T d è espresso anche in gradi Celsius (°C).

Conducibilità termica (K): Conducibilità termica, o k, è la proprietà di un materiale per condurre il calore; bassa conducibilità termica significa trasferimento di calore basso e alta conducibilità significa trasferimento di calore elevato. La velocità di trasferimento del calore è misurata in watt per metro per grado Celsius (W/M °C).

Coefficiente di espansione termica (CTE): Il coefficiente di espansione termica o CTE è il tasso di espansione del materiale PCB quando riscaldato. CTE è espresso in parti per milione (ppm) per grado di riscaldamento Celsius. Quando la temperatura del materiale sale sopra T g, aumenta anche il CTE. Il CTE del substrato è solitamente molto più alto di quello del rame, che può causare problemi di interconnessione quando il PCB è riscaldato.

Caratteristiche elettriche:

Costante dielettrica (E r o D k): Considerando la costante dielettrica del materiale è molto importante per la considerazione dell'integrità e dell'impedenza del segnale, che è un fattore chiave nelle prestazioni elettriche ad alta frequenza. L'Er della maggior parte dei materiali PCB è nell'intervallo da 2,5 a 4,5.

I valori riportati nella scheda tecnica sono validi solo per la percentuale specifica (solitamente 50%) di contenuto di resina nel materiale. La percentuale effettiva di resina nel materiale centrale o prepreg varia con la composizione, quindi D k varierà. La percentuale di rame e lo spessore del prepreg estruso determineranno infine l'altezza del supporto. La costante dielettrica generalmente diminuisce con frequenza crescente.

tangente di perdita (tanδ) o fattore di perdita (D f ): tangente di perdita o fattore di perdita è la tangente dell'angolo di fase tra la corrente resistiva e la corrente reattiva nel dielettrico. La perdita dielettrica aumenta man mano che aumenta il valore di D f. Un basso valore di D f si traduce in un substrato "veloce", mentre un grande valore si traduce in un substrato "lento". D f aumenta leggermente con la frequenza; per materiali ad alta frequenza con un valore di D f molto basso, il suo cambiamento con frequenza è molto piccolo. L'intervallo di valori è compreso tra 0,001 e 0,030.

Velocità e perdita normali: Il materiale di velocità normale è il materiale PCB più comune-FR-4 serie. La loro costante dielettrica (D k) e la risposta in frequenza non sono molto piatte e hanno una perdita dielettrica più elevata. Pertanto, la loro applicabilità è limitata ad alcune applicazioni digitali/analogiche a GHz. Un esempio di questo materiale è Isola 370HR.

Velocità media e perdita: i materiali a media velocità hanno una curva di risposta in frequenza D k più piatta e la perdita dielettrica è circa la metà dei materiali a velocità normale. Questi sono adatti fino a ~10GHz. Un esempio di questo materiale è Nelco N7000-2 HT.

Alta velocità e bassa perdita: Questi materiali hanno anche una curva di risposta di D k e frequenza più piatta e bassa perdita dielettrica. Rispetto ad altri materiali, producono anche meno rumore elettrico dannoso. Un esempio di questo materiale è Isola I-Speed.

Velocità molto alta e perdita molto bassa (RF/microonde): I materiali utilizzati per le applicazioni RF/microonde hanno la risposta D k e in frequenza più piatta e la perdita dielettrica più piccola. Sono adatti per applicazioni fino a ~20GHz. Un esempio di questo materiale è Isola I-Tera MT40 e Tachyon 100G.

Perdita del segnale e frequenza operativa

I materiali PCB possono influenzare l'integrità del segnale dei circuiti ad alta frequenza. È possibile ridurre al minimo l'attenuazione sul circuito stampato scegliendo il substrato PCB corretto e la lamina di rame. Quando si tratta di perdita di segnale nei PCB, questi due materiali svolgono un ruolo molto importante. La perdita di segnale include la perdita dielettrica e la perdita di rame.

Perdita dielettrica

I materiali dielettrici sono composti da molecole polarizzate. Queste molecole vibrano nel campo elettrico creato dal segnale variabile nel tempo sulla traiettoria del segnale. Questo riscalda il dielettrico e provoca la parte di perdita dielettrica della perdita del segnale. Questa perdita di segnale aumenta con l'aumento della frequenza. L'uso di materiali con un fattore di dissipazione inferiore può ridurre al minimo la perdita di segnale. Maggiore è la frequenza, maggiore è la perdita di qualsiasi dato materiale. Ciò è dovuto al campo elettromagnetico in continua evoluzione che causa vibrazioni molecolari nel materiale dielettrico. Più velocemente vibra la molecola, maggiore è la perdita.

Perdita di rame

La perdita di rame è essenzialmente correlata alla corrente che scorre attraverso il conduttore. Gli elettroni potrebbero non sempre scorrere attraverso il centro del conduttore. Se la traccia di rame è completata con nichel, la maggior parte della corrente può scorrere attraverso lo strato di nichel. Man mano che la frequenza aumenta, la perdita di effetto cutaneo diventerà maggiore. Questo può essere compensato aumentando la larghezza della traccia, che a sua volta crea una superficie più ampia. Tracce più ampie hanno sempre minori perdite di effetto cutaneo. Il profilo dell'interfaccia del dente dielettrico-foglio di rame aumenta la lunghezza effettiva, aumentando così la perdita di rame. Si consiglia sempre di utilizzare rame sottile o molto sottile.

Per scegliere meglio i materiali PCB, la tabella sottostante divide i materiali di base in diverse categorie in base alle caratteristiche di perdita del segnale.

Selezione del materiale PCB: considerazioni elettriche e di fabbricazione

Confronto di categoria materiale PCB della tangente di perdita a 10 GHz

A sinistra, abbiamo materiali come FR-4. Si tratta di materiali standard e di facile lavorazione che possono essere utilizzati per qualsiasi applicazione. Ma sono anche i laminati più lossy. Può anche avere un gran numero di altri problemi elettrici e meccanici. Materiali come Isola I-speed, Isola Astra e Tachyon presentano basse perdite alle alte frequenze.

Selezione di fogli di rame

Le seguenti sono diverse caratteristiche che dobbiamo considerare quando si sceglie il foglio di rame:

Spessore rame: Gli spessori tipici vanno da 0,25 once (0,3 mil) a 5 once (7 mil).

Purezza del rame: è la percentuale di rame nel foglio di rame. La purezza della lamina di rame di grado elettronico è di circa 99,7%.

Profilo di interfaccia dielettrica di rame: Il tipo sottile ha perdita di rame a basso segnale ad alta frequenza.

Tipo di foglio di rame

Placcatura di rame: Questo rame ha una struttura verticale della grana e una superficie più ruvida. Il rame placcato viene solitamente utilizzato per PCB rigidi.

Rame calandrato: Un tipo di rame che viene reso molto sottile dalla lavorazione tra rulli pesanti ed è ampiamente utilizzato nella produzione di PCB flessibili. Il rame calandrato ha una struttura orizzontale e una superficie più liscia, il che lo rende una scelta ideale per PCB rigidi-flessibili e flessibili.

Migliori pratiche per la selezione dei materiali PCB

Coefficiente di corrispondenza dell'espansione termica (CTE): CTE è la caratteristica termica più critica del substrato. Se i componenti del substrato hanno CTE differenti, possono espandersi a velocità diverse durante il processo di fabbricazione.

Scegliere una struttura di base compatta: la distribuzione D k in una struttura di base compatta sarà uniforme.

Evitare l'uso di FR (ritardante di fiamma)4 nelle applicazioni ad alta frequenza: ciò è dovuto alla sua elevata perdita dielettrica e alla curva di risposta D k vs. in frequenza più ripida. (Per frequenze inferiori a 1 GHz).

Utilizzare meno materiali igroscopici: l'igroscopicità è la capacità del materiale PCB (in questo caso rame) di resistere all'assorbimento dell'acqua quando immerso in acqua. È l'aumento percentuale di peso del materiale PCB dovuto all'assorbimento di acqua in condizioni controllate secondo i metodi di prova standard. La maggior parte dei materiali ha valori di assorbimento dell'umidità compresi tra 0,01% e 0,20%.

Utilizzare sempre materiali resistenti al CAF: il filamento conduttivo dell'anodo (CAF) è un filamento metallico formato da un processo di migrazione elettrochimica che è noto per causare il guasto del PCB. L'uso di materiali anti-CAF è uno dei modi più efficaci per prevenire la formazione e il fallimento di CAF.