Tecnología de PCB - Selección de materiales de pcb: factores eléctricos y de fabricación

Al elegir un material de pcb, es importante tomar la decisión correcta para su diseño, ya que el material afectará el rendimiento general. Antes de entrar en la fase de fabricación, conozca cómo las características térmicas y eléctricas afectan su diseño, lo que puede ahorrar tiempo y dinero mientras logra los mejores resultados.

La estructura de apilamiento de PCB es construir PCB multicapa en orden continuo. El laminado está compuesto por un núcleo magnético, un prepreg y una lámina de cobre. Por lo general, la pila es simétrica. El espesor de la placa de la mayoría de los productos es inferior a 62 milímetros.

¿¿ qué material se utiliza en la placa de circuito?

Selección de materiales de pcb: consideraciones eléctricas y de fabricación

Materiales de pcb: láminas, núcleos y preimpregnados

Para fabricar placas de circuito impreso se utilizan los siguientes tres elementos:

Prepreg: material de grado b, pegajoso y capaz de unir diferentes laminados o láminas

Lámina de cobre: se utiliza como conductor en una placa de circuito impreso.

Laminados recubiertos de cobre (núcleos): laminados y solidificados a través de preimpregnados y láminas de cobre.

Características básicas de los materiales dieléctrico

Sabemos que los laminados de PCB están hechos de materiales dieléctrico. Al elegir el laminado, necesitamos considerar las diversas características del material dieléctrico utilizado.

Propiedades térmicas:

Temperatura de transición vítrea (tg): a medida que la cadena de polímeros se vuelve más fluida, la temperatura de transición vítrea o Tg es el rango de temperatura en el que el sustrato cambia de vidrio, rígido a ablandado y deformable. Cuando el material se enfría, sus características vuelven a su Estado original. T G se expresa en grados centígrados (gradoscelsius).

Temperatura de descomposición (t d): la temperatura de descomposición o t D es la temperatura a la que se produce la descomposición química del material de PCB (el material pierde al menos el 5% de la masa). Al igual que tg, TD también se expresa en grados centígrados (gradoscelsius).

Conductividad térmica (k): conductividad térmica, o k, es la característica de la conducción térmica del material; Una baja conductividad térmica significa una baja transferencia de calor, mientras que una alta conductividad térmica significa una alta transferencia de calor. La velocidad de transferencia de calor se mide en vatios por metro por centígrado (w / M ° c).

Coeficiente de expansión térmica (cte): el coeficiente de expansión térmica o Cte es la tasa de expansión del material de PCB al calentarse. El Cte se expresa en una millonésima parte (ppm) por grado centígrado de calentamiento. Cuando la temperatura del material sube por encima de tg, el CTE también sube. El Cte del sustrato suele ser mucho más alto que el del cobre, lo que provoca problemas de interconexión cuando se calienta el pcb.

Características eléctricas:

Constante dieléctrica (e r o d k): considerar la constante dieléctrica del material es muy importante para considerar la integridad de la señal y la resistencia, que es un factor clave en el rendimiento eléctrico de alta frecuencia. La Er de la mayoría de los materiales de PCB está en el rango de 2,5 a 4,5.

Los valores de la tabla de datos solo se aplican a un porcentaje específico del contenido de resina en el material (generalmente 50%). El porcentaje real de resina en el núcleo o preimpregnado cambia con la composición, por lo que DK también cambiará. El porcentaje y el grosor del cobre del blanco preimpregnado exprimido determinarán en última instancia la altura del medio. La constante dieléctrica generalmente disminuye con el aumento de la frecuencia.

Corte del ángulo de pérdida (tan isla ') o factor de pérdida (d f): la Corte del ángulo de pérdida o el factor de pérdida es la Corte del ángulo de fase entre la corriente de resistencia y la corriente reactiva en el dieléctrico. La pérdida dieléctrica aumenta con el aumento del valor de df. El bajo valor de D F produce una base "rápida", mientras que la Asamblea de valores produce una base "lenta". DF aumenta ligeramente con la frecuencia; Para los materiales de alta frecuencia con valores de DF muy bajos, su variación con la frecuencia es muy pequeña. El rango de este valor es de 0001 a 0030.

Velocidad normal y pérdida: el material de velocidad normal es el material de PCB más común - serie FR - 4. Su constante dieléctrica (dk) y su respuesta de frecuencia no son muy planas, y tienen una mayor pérdida dieléctrica. Por lo tanto, su aplicabilidad se limita a varias aplicaciones digitales / analógicas de ghz. Un ejemplo de este material es Isola 370hr.

Velocidad media y pérdida: el material de velocidad media tiene una curva de respuesta DK y frecuencia más plana, y la pérdida dieléctrica es aproximadamente la mitad del material de velocidad normal. Estos son adecuados para frecuencias de hasta 10 ghz. Un ejemplo de este material es el nilco n7000 - 2 ht.

Alta velocidad y baja pérdida: estos materiales también tienen curvas de respuesta de DK y frecuencia más planas y baja pérdida dieléctrica. En comparación con otros materiales, también producen menos ruido eléctrico dañino. Un ejemplo de este material es Isola I - speed.

Muy alta velocidad y muy baja pérdida (rf / microondas): el material utilizado en aplicaciones de RF / microondas tiene la DK más plana y la respuesta de frecuencia, así como la menor pérdida dieléctrica. Son adecuados para aplicaciones de hasta a 20 ghz. Un ejemplo de este material son Isola I - Tera mt40 y tachyon 100g.

Pérdida de señal y frecuencia de trabajo

El material de PCB afectará la integridad de la señal del Circuito de alta frecuencia. Puede minimizar la atenuación en la placa de circuito seleccionando el sustrato de PCB correcto y la lámina de cobre. Estos dos materiales juegan un papel muy importante cuando se trata de la pérdida de señal en el pcb. La pérdida de señal incluye la pérdida dieléctrica y la pérdida de cobre.

Pérdida dieléctrica

El material dieléctrico está compuesto por moléculas polarizadas. Estas moléculas vibran en campos eléctricos generados por señales variables en el tiempo en la trayectoria de la señal. Esto calentará el dieléctrico y causará la parte de pérdida dieléctrica en la pérdida de señal. Esta pérdida de señal aumenta con el aumento de la frecuencia. El uso de materiales con factores de disipación más bajos puede minimizar la pérdida de señal. Cuanto mayor sea la frecuencia, mayor será la pérdida de cualquier material dado. Esto se debe a la Vibración molecular en el material dieléctrico causada por el campo electromagnético cambiante. Cuanto más rápido vibra la molécula, mayor es la pérdida.

Pérdida de cobre

La pérdida de cobre está relacionada esencialmente con la corriente que fluye a través del conductor. Es posible que los electrones no siempre fluyan a través del Centro del conductor. Si el rastro de cobre se completa con níquel, la mayor parte de la corriente puede fluir a través de la capa de níquel. A medida que aumente la frecuencia, la pérdida del efecto cutáneo se hará mayor. Esto se puede compensar aumentando el ancho del rastro, lo que a su vez genera una mayor superficie. Las marcas más anchas siempre tienen una menor pérdida de efecto cutáneo. El contorno de la interfaz lámina de cobre - dieléctrico - diente aumenta la longitud efectiva, lo que aumenta la pérdida de cobre. Siempre se recomienda usar cobre delgado o muy delgado.

Para seleccionar mejor los materiales de pcb, la siguiente tabla divide los materiales básicos en diferentes categorías de acuerdo con las características de pérdida de señal.

Selección de materiales de pcb: consideraciones eléctricas y de fabricación

Comparación de las categorías de materiales de PCB con pérdida de 10 GHz

A la izquierda, tenemos un material similar al FR - 4. Estos son materiales diarios estándar y fáciles de manejar que se pueden usar en cualquier aplicación. Pero también son los laminados con mayor pérdida. También puede tener una gran cantidad de otros problemas eléctricos y mecánicos. Materiales como Isola I - speed, Isola Astra y tachyon muestran bajas pérdidas a altas frecuencias.

Selección de láminas de cobre

Las siguientes son algunas de las características que debemos considerar al elegir la lámina de cobre:

Espesor del cobre: el rango de espesor típico es de 0,25 onzas (0,3 mils) a 5 onzas (7 mils).

Pureza del cobre: se refiere al porcentaje de cobre en la lámina de cobre. La pureza de la lámina de cobre de grado electrónico es de aproximadamente el 99,7%.

Contorno de la interfaz dieléctrica de cobre: el tipo delgado tiene una pérdida de cobre de baja señal a alta frecuencia.

Tipo de lámina de cobre

Cobre chapado: este cobre tiene una estructura de grano vertical y una superficie más áspera. El cobre galvanizado se utiliza generalmente en PCB rígidos.

Cobre calandrado: cobre muy delgado fabricado mediante el procesamiento entre rodillos pesados y ampliamente utilizado en la producción de PCB flexibles. El cobre calandrado tiene una estructura de textura horizontal y una superficie más lisa, lo que lo convierte en una opción ideal para PCB duros, flexibles y flexibles.

Mejores prácticas en la selección de materiales de PCB

Coeficiente de coincidencia de expansión térmica (cte): Cte es la característica térmica más crítica del sustrato. Si los componentes del sustrato tienen un Cte diferente, pueden expandirse a diferentes velocidades durante el proceso de fabricación.

Elija una infraestructura compacta: la distribución de DK en una infraestructura compacta será uniforme.

Evite el uso de FR (retardante de llama) 4 en aplicaciones de alta frecuencia: esto se debe a su alta pérdida dieléctrica y a su curva de respuesta DK y frecuencia más empinada. (para frecuencias por debajo de 1 ghz).

Uso de materiales con menor absorción de humedad: la absorción de humedad se refiere a la capacidad del material de PCB (en este caso cobre) para resistir la absorción de agua al sumergirse en agua. Se basa en el método de prueba estándar como porcentaje del aumento del peso del material de PCB debido a la absorción de agua en condiciones controladas. Los valores de absorción de humedad de la mayoría de los materiales oscilan entre el 0,01% y el 0,20%.

Siempre se utilizan materiales resistentes a caf: el alambre anódico conductor (caf) es un alambre metálico formado por un proceso de migración electroquímica que se sabe que causa fallas en los pcb. El uso de materiales resistentes a CAF es una de las formas más eficaces de prevenir la formación y el fracaso de caf.