Elektronisches Design - Leiterplattendesign Auswahl des Leiterplattenmaterials

Das thermische, mechanische und elektrische Verhalten jeder Leiterplatte hängt von den Materialeigenschaften des Leiterplattensubstrats, der Leiter und der Komponentenmaterialien ab. Unter diesen verschiedenen Materialien können PCB-Designer das Verhalten der Platine weitestgehend steuern, indem sie das richtige PCB-Substratmaterial auswählen. Die Eigenschaften von Leiterplattenmaterialien, insbesondere Harzen und Laminaten, bestimmen, wie Ihre Leiterplatte auf mechanische, thermische und elektrische Reize reagiert. Wenn Sie ein PCB-Substratmaterial wählen müssen, welche PCB-Materialeigenschaften sind für Ihre Leiterplatte am wichtigsten? Die Antwort hängt von der Anwendung der Leiterplatte und der Umgebung ab, in der die Leiterplatte eingesetzt wird. Bei der Auswahl von Prepregs und Laminaten für die nächste Leiterplatte sollten folgende wichtige Materialeigenschaften als Anwendungsreferenz berücksichtigt werden. Ihre Wahl des Substrats ist nicht mehr auf FR4 beschränkt, aber Sie sollten PCB-Laminat nicht einfach wählen. Sie sollten zuerst verstehen, wie sich unterschiedliche Materialeigenschaften auf Ihre Leiterplatte auswirken, und dann ein Laminat wählen, das Ihren betrieblichen Anforderungen entspricht. Hören Sie sich nicht nur die Marketingpräsentationen der Laminathersteller an; Nehmen Sie sich die Zeit, die Materialeigenschaften jedes Substrats zu verstehen und wie sie Ihre Leiterplatte beeinflussen. Sie können einige Daten über die Leistung von Leiterplattenmaterialien im Internet finden, aber es ist am besten, den Hersteller zu konsultieren, insbesondere für spezialisierte Laminatmaterialien, da keine zwei Laminate genau gleich sind und keine zwei genau gleich sind. Exotischere Materialien wie Keramik und Metallkern-Leiterplatten haben eine Reihe von einzigartigen Materialeigenschaften. Die wichtigen PCB-Materialeigenschaften, die alle Designer verstehen sollten, sind in vier Bereiche unterteilt: elektrische, strukturelle, mechanische und thermische Eigenschaften. Elektrische EigenschaftenAlle wichtigen elektrischen Eigenschaften, die in heutigen PCB-Substratmaterialien berücksichtigt werden müssen, spiegeln sich in der Dielektrizitätskonstante wider. Dielektrische KonstantDies ist die wichtigste elektrische Kennlinie, die zu berücksichtigen ist, wenn die Leiterplatte für die Laminierung von Hochgeschwindigkeits-/Hochfrequenz-Leiterplatten ausgelegt ist. Die dielektrische Konstante ist eine komplexe Größe, sie ist eine Funktion der Frequenz, die die folgenden Formen der Dispersion im PCB-Substrat verursacht: Geschwindigkeitsdispersion: Da die dielektrische Konstante eine Funktion der Frequenz ist, erfahren verschiedene Frequenzen unterschiedliche Verluste und breiten sich mit verschiedenen Geschwindigkeiten aus. Verluststreuung: Die Dämpfung eines Signals ist auch eine Funktion der Frequenz. Das einfache Modell der chromatischen Dispersion zeigt an, dass der Verlust mit der Frequenz zunimmt, aber dies ist nicht strikt korrekt. Es kann eine komplizierte Beziehung zwischen dem Verlust und dem Frequenzspektrum einiger Laminate geben. Diese beiden Effekte tragen zum Verzerrungsgrad bei, den das Signal während der Ausbreitung erfährt. Bei analogen Signalen, die auf einer sehr engen Bandbreite oder einer einzigen Frequenz arbeiten, spielt die chromatische Dispersion keine Rolle. Sie ist jedoch extrem wichtig bei digitalen Signalen und stellt eine der größten Herausforderungen bei der digitalen Hochgeschwindigkeitsmodellierung und dem Zusammenschaltungsdesign dar. Strukturelle EigenschaftenDie Struktur der Leiterplatte und ihres Substrats beeinflusst auch die mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften der Leiterplatte. Diese Eigenschaften spiegeln sich hauptsächlich auf zwei Arten wider: das Glaswebverfahren und die Rauheit des Kupferleiters. Glaswebstil Das Glaswebmuster hinterlässt eine Lücke auf dem PCB-Substrat, die mit dem Harzgehalt auf der Platine zusammenhängt. Das Volumenverhältnis von Glas und Imprägnierharz wird kombiniert, um die volumenmäßige dielektrische Konstante des Substrats zu bestimmen. Darüber hinaus erzeugen die Lücken im Glaswebmuster einen sogenannten Faserwebeffekt, bei dem die entlang der Verbindungslinie variierende Substratdielektrizitätskonstante Ablenkung, Resonanz und Verlust verursacht. Diese Effekte treten bei Frequenzen von ~50GHz oder höher auf, die Radarsignale, Gigabit Ethernet und typische LWDSSErDes Kanalsignale beeinflussen.

Kupferrauheit Obwohl dies tatsächlich ein strukturelles Merkmal gedruckter Kupferleiter ist, trägt es zur elektrischen Impedanz der Verbindung bei. Die Oberflächenrauheit des Leiters erhöht effektiv seinen Skin-Effekt-Widerstand bei hohen Frequenzen, was zu induktiven Verlusten führt, die durch induzierte Wirbelströme während der Signalausbreitung verursacht werden. Kupferätzungen, Kupferabscheidungsverfahren und die Oberfläche des Prepregs beeinflussen die Oberflächenrauheit bis zu einem gewissen Grad. Wärmeleistung Bei der Auswahl des Substratmaterials müssen die thermischen Eigenschaften des PCB-Laminats und des Substrats in zwei Gruppen unterteilt werden. Wärmeleitfähigkeit und spezifische WärmeDie zur Erhöhung der Temperatur der Platine erforderliche Wärme wird durch die spezifische Wärme des Substrats quantifiziert, und die durch das Substrat pro Zeiteinheit übertragene Wärme wird durch die Wärmeleitfähigkeit quantifiziert. Die Eigenschaften dieser PCB-Materialien zusammen bestimmen die Endtemperatur der Leiterplatte, wenn sie während des Betriebs ein thermisches Gleichgewicht mit der Umgebung erreicht. Wenn Sie Ihre Leiterplatte in einer Umgebung einsetzen, die Wärme schnell an einen großen Kühlkörper oder ein Gehäuse ableiten muss, sollten Sie ein Substrat mit höherer Wärmeleitfähigkeit verwenden. Diese beiden PCB-Materialeigenschaften hängen ebenfalls zusammen. Alle Materialien haben einen bestimmten Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE), der zufällig die Menge an Anisotropie im PCB-Substrat ist (das heißt, der Ausdehnungskoeffizient ist in verschiedenen Richtungen unterschiedlich). Sobald die Temperatur der Leiterplatte die Glasübergangstemperatur (Tg) überschreitet, steigt der CTE-Wert plötzlich an. Idealerweise sollte der CTE-Wert innerhalb des erforderlichen Temperaturbereichs so niedrig wie möglich und der Tg-Wert so hoch wie möglich sein. Das billigste FR4-Substrat hat eine Tg~130°C, aber die meisten Hersteller bieten Kern- und Laminatoptionen mit einem Tg~170°C an. Die oben aufgeführten thermischen Eigenschaften beziehen sich auch auf die mechanische Stabilität der Leiter auf dem Leiterplattensubstrat. Insbesondere verursacht die CTE-Mismatch ein bekanntes Zuverlässigkeitsproblem bei Vias mit hohem Seitenverhältnis und blinden/vergrabenen Vias, bei denen Vias aufgrund mechanischer Beanspruchung durch Volumenerweiterung zu Bruch neigen. Daher wurden hohe Tg-Materialien und andere spezialisierte Laminate entwickelt, und Konstruktionsingenieure, die sich mit HDI-Leiterplatten-Design beschäftigen, können die Verwendung dieser alternativen Materialien in Betracht ziehen.