Progettazione PCB - Selezione del materiale PCB di progettazione del circuito stampato

Il comportamento termico, meccanico ed elettrico di ogni PCB dipende dalle proprietà del materiale del substrato PCB, dei conduttori e dei materiali componenti. Tra questi diversi materiali, i progettisti di PCB possono controllare il comportamento della scheda nella massima misura scegliendo il materiale di substrato PCB corretto. Le proprietà dei materiali PCB, in particolare resine e laminati, determineranno come il circuito stampato risponde agli stimoli meccanici, termici ed elettrici. Quando è necessario scegliere un materiale di substrato PCB, quali caratteristiche del materiale PCB sono più importanti per il vostro circuito stampato? La risposta dipende dall'applicazione del circuito stampato e dall'ambiente in cui verrà distribuito il PCB. Quando si selezionano prepreg e laminati per il PCB successivo, le seguenti caratteristiche importanti del materiale devono essere considerate per il riferimento dell'applicazione. La scelta del substrato non è più limitata a FR4, ma non dovresti scegliere facilmente il laminato PCB. Dovresti prima capire come le diverse proprietà dei materiali influenzano il tuo PCB, quindi scegliere un laminato in grado di soddisfare i tuoi requisiti operativi. Non ascoltare solo le presentazioni di marketing dei produttori di laminati; Prenditi il tempo di capire le proprietà del materiale di ogni substrato e come influenzano il tuo PCB. Puoi trovare alcuni dati sulle prestazioni dei materiali PCB su Internet, ma è meglio consultare il produttore, soprattutto per i materiali laminati specializzati, perché non ci sono due laminati esattamente gli stessi e non ci sono due esattamente gli stessi. Materiali più esotici come ceramica e PCB con nucleo metallico hanno una serie di proprietà uniche del materiale. Le importanti proprietà del materiale PCB che tutti i progettisti dovrebbero comprendere sono suddivise in quattro aree: proprietà elettriche, strutturali, meccaniche e termiche. Proprietà elettricheTutte le proprietà elettriche importanti che devono essere considerate nei materiali di substrato PCB odierni si riflettono nella costante dielettrica. Costante dielettrica Questa è la caratteristica elettrica principale da considerare quando il PCB è progettato per la laminazione di PCB ad alta velocità / ad alta frequenza. La costante dielettrica è una quantità complessa, è una funzione della frequenza, causando le seguenti forme di dispersione nel substrato PCB: dispersione di velocità: Poiché la costante dielettrica è una funzione della frequenza, le frequenze differenti sperimenteranno diversi livelli di perdita e si propagano a velocità diverse. Perdita dispersione: L'attenuazione sperimentata da un segnale è anche una funzione della frequenza. Il semplice modello di dispersione cromatica indica che la perdita aumenta con la frequenza, ma questo non è strettamente corretto. Ci può essere una relazione complicata tra la perdita e lo spettro di frequenza di alcuni laminati. Questi due effetti contribuiscono al grado di distorsione che il segnale sperimenta durante la propagazione. Per i segnali analogici che operano su una larghezza di banda molto stretta o su una singola frequenza, la dispersione cromatica non ha importanza. Tuttavia, è estremamente importante nei segnali digitali ed è una delle principali sfide nella modellazione del segnale digitale ad alta velocità e nella progettazione di interconnessione. Proprietà strutturaleLa struttura del PCB e del suo substrato influenzerà anche le proprietà meccaniche, termiche ed elettriche della scheda. Queste caratteristiche si riflettono principalmente in due modi: il metodo di tessitura del vetro e la rugosità del conduttore di rame. Stile di tessitura di vetro Il modello di tessitura di vetro lascerà uno spazio sul substrato PCB, che è correlato al contenuto di resina sulla scheda. Il rapporto volume di vetro e resina impregnante è combinato per determinare la costante dielettrica media volume del substrato. Inoltre, le lacune nel modello di tessitura di vetro producono un cosiddetto effetto di tessitura della fibra, in cui la costante dielettrica del substrato che varia lungo la linea di interconnessione provoca la deviazione, la risonanza e la perdita. Questi effetti diventano molto prominenti a frequenze di ~50GHz o superiori, che influenzano i segnali radar, Gigabit Ethernet e tipici segnali di canale LWDSSerDes.

Rugosità del rame Sebbene questa sia in realtà una caratteristica strutturale dei conduttori in rame stampati, contribuisce all'impedenza elettrica dell'interconnessione. La rugosità superficiale del conduttore aumenta efficacemente la sua resistenza all'effetto pelle alle alte frequenze, portando a perdite induttive causate da correnti parassite indotte durante la propagazione del segnale. L'incisione del rame, i metodi di deposizione del rame e la superficie del prepreg influenzeranno la rugosità superficiale in una certa misura. Prestazioni termicheQuando si seleziona il materiale del substrato, le proprietà termiche del laminato PCB e del substrato devono essere divise in due gruppi. Conducibilità termica e calore specificoIl calore necessario per aumentare la temperatura della scheda di un grado è quantificato dal calore specifico del substrato e il calore trasferito attraverso il substrato per unità di tempo è quantificato dalla conducibilità termica. Le proprietà di questi materiali PCB insieme determinano la temperatura finale del circuito stampato quando raggiunge l'equilibrio termico con l'ambiente durante il funzionamento. Se si distribuisce il circuito stampato in un ambiente che ha bisogno di dissipare rapidamente il calore in un dissipatore di calore o telaio di grandi dimensioni, è necessario utilizzare un substrato con una maggiore conducibilità termica. Queste due proprietà del materiale PCB sono anche correlate. Tutti i materiali hanno un certo coefficiente di espansione termica (CTE), che si dà il caso di essere la quantità di anisotropia nel substrato PCB (cioè, il coefficiente di espansione è diverso in direzioni diverse). Una volta che la temperatura del circuito stampato supera la temperatura di transizione del vetro (Tg), il valore CTE aumenterà improvvisamente. Idealmente, il valore CTE dovrebbe essere il più basso possibile all'interno dell'intervallo di temperatura richiesto e il valore Tg dovrebbe essere il più alto possibile. Il substrato FR4 più economico ha un Tg ~ 130Â ° C, ma la maggior parte dei produttori offre opzioni di nucleo e laminato con un Tg ~ 170Â ° C. Le proprietà termiche sopra elencate sono anche correlate alla stabilità meccanica dei conduttori sul substrato PCB. In particolare, il disallineamento CTE crea un noto problema di affidabilità nelle vie ad alto rapporto di aspetto e nelle vie cieche/sepolte, in cui le vie sono soggette a fratture a causa di sollecitazioni meccaniche causate dall'espansione del volume. Pertanto, sono stati sviluppati materiali ad alto Tg e altri laminati specializzati e gli ingegneri di progettazione impegnati nella progettazione del PCB della scheda HDI possono prendere in considerazione l'utilizzo di questi materiali alternativi.