Technologie PCB - Choix du matériau PCB: facteurs électriques et de fabrication

Lors du choix d'un matériau de PCB, il est important de faire le bon choix pour votre conception, car le matériau affecte la performance globale. Comprendre comment les caractéristiques thermiques et électriques affectent votre conception avant de passer à la phase de fabrication peut vous faire économiser du temps et de l'argent tout en obtenant les meilleurs résultats.

La structure d'empilement de PCB est la construction de PCB multicouches dans un ordre continu. La plaque stratifiée est composée d'un noyau magnétique, d'un préimprégné et d'une feuille de cuivre. Généralement, l'empilement est symétrique. La plupart des produits ont une épaisseur de plaque inférieure à 62 mils.

Quels matériaux sont utilisés pour la carte?

Choix des matériaux PCB: considérations électriques et de fabrication

Matériel de PCB: feuille, noyau et préimprégné

Fabrication de cartes de circuits imprimés en utilisant les 3 éléments suivants:

Préimprégné: matériau de classe B, collant, peut coller différents stratifiés ou feuilles

Feuille de cuivre: utilisé comme conducteur dans une carte de circuit imprimé.

Stratifié de cuivre (noyau): stratifié et solidifié par préimprégné et feuille de cuivre.

Caractéristiques essentielles des matériaux diélectriques

Nous savons que les stratifiés PCB sont fabriqués à partir de matériaux diélectriques. Lors du choix d'un stratifié, nous devons tenir compte des différentes caractéristiques des matériaux diélectriques utilisés.

Propriétés thermiques:

Température de transition vitreuse (Tg): Au fur et à mesure que la chaîne polymère devient plus fluide, la température de transition vitreuse ou TG est la plage de températures dans laquelle le substrat passe de l'état vitreux, rigide, à l'état ramolli, déformable. Lorsque le matériau est refroidi, ses caractéristiques reviennent à leur état d'origine. T g est exprimé en degrés Celsius (°C).

Température de décomposition (t d): la température de décomposition ou t d est la température à laquelle le matériau PCB subit une Décomposition chimique (le matériau perd au moins 5% de sa masse). Comme TG, TD est également exprimé en degrés Celsius (°C).

Conductivité thermique (k): la conductivité thermique, ou K, est une caractéristique de la conductivité thermique d'un matériau; Une faible conductivité thermique signifie un faible transfert de chaleur, tandis qu'une conductivité électrique élevée signifie un transfert de chaleur élevé. La vitesse de transfert de chaleur est mesurée en watts par mètre et par degré Celsius (W / M ° c).

Coefficient de dilatation thermique (CTE): le coefficient de dilatation thermique ou cte est le taux de dilatation d'un matériau PCB lorsqu'il est chauffé. Le cte est exprimé en parties par million (PPM) par degré Celsius chauffé. Lorsque la température du matériau dépasse TG, le CTE augmente également. Le cte du substrat est généralement beaucoup plus élevé que celui du cuivre, ce qui entraîne des problèmes d'interconnexion lorsque le PCB est chauffé.

Caractéristiques électriques:

Constante diélectrique (E R ou d k): la prise en compte de la constante diélectrique d'un matériau est importante pour prendre en compte l'intégrité du signal et l'impédance, facteurs clés des propriétés électriques à haute fréquence. La plupart des matériaux de PCB ont un er compris entre 2,5 et 4,5.

Les valeurs de la fiche technique ne s'appliquent qu'à un pourcentage spécifique (généralement 50%) de la teneur en résine du matériau. Le pourcentage réel de résine dans le noyau ou le préimprégné varie selon la composition, donc D K varie également. Le pourcentage de cuivre et l'épaisseur de l'ébauche préimprégnée extrudée détermineront finalement la hauteur du milieu. La constante diélectrique diminue généralement avec l'augmentation de la fréquence.

Tangente d'angle de perte (Tan isla´) ou facteur de perte (d f): la tangente d'angle de perte ou facteur de perte est la tangente d'angle de phase entre le courant résistif et le courant réactif dans un diélectrique. Les pertes diélectriques augmentent avec la valeur de DF. Une valeur de d f faible donne un substrat "rapide", tandis qu'une valeur plus grande donne un substrat "lent". DF augmente légèrement avec la fréquence; Elle varie très peu en fonction de la fréquence pour un matériau haute fréquence dont la valeur de DF est très faible. Les valeurs vont de 0001 à 0030.

Vitesse normale et perte: le matériau de vitesse normale est le matériau de PCB le plus commun - série fr - 4. Leur constante diélectrique (DK) et leur réponse en fréquence ne sont pas très plates et elles présentent des pertes diélectriques élevées. Leur applicabilité est donc limitée à des applications numériques / analogiques de quelques GHz. Un exemple de ce matériau est l'Isola 370hr.

Vitesse moyenne et pertes: les matériaux à vitesse moyenne ont une courbe de réponse D K en fréquence plus plate, avec des pertes diélectriques d'environ la moitié de celles des matériaux à vitesse normale. Ceux - ci conviennent aux fréquences allant jusqu'à ~ 10 GHz. Un example de ce matériau est le nelco n7000 - 2 HT.

Haute vitesse et faibles pertes: ces matériaux ont également des courbes de réponse D K et en fréquence plus plates et des pertes diélectriques plus faibles. Ils produisent également moins de bruit électrique nocif que les autres matériaux. Un exemple de ce matériau est Isola I - speed.

Vitesses très élevées et très faibles pertes (RF / micro - ondes): les matériaux utilisés pour les applications RF / micro - ondes ont la réponse la plus plate en D K et en fréquence et les pertes diélectriques les plus faibles. Ils conviennent aux applications jusqu'à ~ 20 GHz. Un exemple de ce matériau est Isola I - tera mt40 et tachyon 100g.

Perte de signal et fréquence de fonctionnement

Les matériaux PCB peuvent affecter l'intégrité du signal des circuits haute fréquence. Vous pouvez minimiser l'atténuation sur votre carte en choisissant le bon substrat PCB et la Feuille de cuivre. En ce qui concerne la perte de signal dans les PCB, ces deux matériaux jouent un rôle très important. Les pertes de signal comprennent les pertes diélectriques et les pertes de cuivre.

Pertes diélectriques

Les matériaux diélectriques sont constitués de molécules polarisées. Ces molécules vibrent dans le champ électrique généré par le signal variable dans le temps sur la trajectoire du signal. Cela chauffe le diélectrique et provoque des pertes diélectriques dans les pertes de signal. Cette perte de signal augmente avec la fréquence. L'utilisation de matériaux à faible facteur de dissipation permet de minimiser les pertes de signal. Plus la fréquence est élevée, plus les pertes sont importantes pour un matériau donné. Cela est dû à des champs électromagnétiques changeants qui provoquent des vibrations moléculaires dans les matériaux diélectriques. Plus les molécules vibrent vite, plus les pertes sont importantes.

Perte de cuivre

Les pertes de cuivre sont essentiellement liées au courant circulant dans le conducteur. Les électrons ne peuvent pas toujours passer par le Centre du conducteur. Si les traces de cuivre sont faites avec du nickel, il est probable que la majeure partie du courant circule à travers la couche de nickel. À mesure que la fréquence augmente, la perte de l'effet de chimiotaxie deviendra plus importante. Cela peut être compensé en augmentant la largeur de la trace, ce qui crée une plus grande surface. Les trajectoires plus larges ont toujours une perte d'effet chimiotactique plus faible. Le profil de l'interface feuille de cuivre - diélectrique - dent augmente la longueur effective et donc les pertes de cuivre. Il est toujours recommandé d'utiliser du cuivre mince ou très mince.

Pour une meilleure sélection des matériaux de PCB, le tableau suivant classe les matériaux de base en différentes catégories en fonction des caractéristiques de perte de signal.

Choix des matériaux PCB: considérations électriques et de fabrication

Comparaison des catégories de matériaux PCB avec tangente de perte 10 GHz

À gauche, nous avons un matériau similaire au fr - 4. Ce sont des matériaux standard et faciles à manipuler pour tous les jours qui peuvent être utilisés dans n'importe quelle application. Mais ce sont aussi les stratifiés qui perdent le plus. Il peut également avoir un grand nombre d'autres problèmes électriques et mécaniques. Des matériaux tels que Isola I - speed, Isola ASTRA et tachyon présentent de faibles pertes à haute fréquence.

Sélection de feuille de cuivre

Voici quelques caractéristiques que nous devons prendre en compte lors du choix d'une feuille de cuivre:

Épaisseur de cuivre: l'épaisseur typique varie de 0,25 oz (0,3 mil) à 5 oz (7 mil).

Pureté du cuivre: se réfère au pourcentage de cuivre dans la Feuille de cuivre. La pureté de la Feuille de cuivre de qualité électronique est d'environ 99,7%.

Profil d'interface Média en cuivre: la forme mince a une faible perte de cuivre de signal à haute fréquence.

Type de feuille de cuivre

Cuivre galvanisé: ce cuivre a une structure de grain verticale et une surface plus rugueuse. Le cuivre galvanisé est généralement utilisé pour les circuits imprimés rigides.

Cuivre calandré: un cuivre très mince fabriqué par usinage entre des rouleaux lourds, largement utilisé dans la production de circuits imprimés flexibles. Le cuivre calandré a une structure texturée horizontale et une surface plus lisse, ce qui le rend idéal pour les PCB durs et flexibles.

Meilleures pratiques pour le choix des matériaux PCB

Coefficient de dilatation thermique (CTE): le CTE est la caractéristique thermique la plus critique du substrat. Si les composants du substrat ont des cte différents, ils peuvent se dilater à des vitesses différentes lors de la fabrication.

Choisissez une infrastructure compacte: la distribution DK dans une infrastructure compacte sera uniforme.

Évitez l'utilisation de fr (retardateur de flamme) 4 dans les applications à haute fréquence: cela est dû à ses pertes diélectriques élevées et à sa courbe de réponse en fréquence D K plus raide. (pour les fréquences inférieures à 1 GHz).

Utilisation de matériaux moins hygroscopiques: l'hygroscopicité fait référence à la capacité d'un matériau PCB (dans ce cas, le cuivre) à résister à l'absorption d'eau lorsqu'il est immergé dans l'eau. Il s'agit du pourcentage d'augmentation du poids du matériau PCB en raison de l'absorption d'eau dans des conditions contrôlées, selon les méthodes d'essai standard. La plupart des matériaux ont des valeurs d'hygroscopie comprises entre 0,01 et 0,20%.

Utilisez toujours un matériau résistant aux CAF: le fil d'anode conducteur (CAF) est un fil métallique formé par un processus de migration électrochimique connu pour provoquer des défaillances de PCB. L'utilisation de matériaux résistants aux CAF est l'un des moyens les plus efficaces de prévenir la formation et la défaillance des CAF.