Teknik PCB - Pemilihan bahan PCB: faktor elektrik dan penghasilan

Apabila memilih bahan PCB, penting untuk membuat pilihan yang betul untuk desain anda kerana bahan mempengaruhi prestasi umum. Memahami bagaimana ciri-ciri panas dan elektrik mempengaruhi rancangan anda sebelum memasuki tahap penghasilan boleh menyelamatkan anda masa dan wang sementara mencapai keputusan terbaik.

Struktur stack PCB adalah untuk membina PCB berbilang-lapisan dalam urutan terus-menerus. Laminat ini terdiri dari inti magnetik, prepreg dan foil tembaga. Secara umum, tumpuan adalah simetrik. Lebar papan kebanyakan produk kurang dari 62 mils.

Bahan apa yang digunakan untuk papan sirkuit?

Pemilihan bahan PCB: pertimbangan elektrik dan penghasilan

Bahan PCB: foil, inti dan prepreg

Guna 3 item berikut untuk menghasilkan papan sirkuit cetak:

Prepreg: Bahan-tahap B, yang melekat dan membolehkan ikatan laminat atau foli berbeza

Fol tembaga: digunakan sebagai konduktor dalam PCB.

Laminat dari tembaga (Core): Laminated dan disembuhkan dengan prepreg dan foil tembaga.

Ciri-ciri asas bahan dielektrik

Kami tahu bahawa laminat PCB dibuat dari bahan dielektrik. Apabila memilih laminat, kita perlu mempertimbangkan karakteristik berbeza bahan dielektrik yang digunakan.

Performasi panas:

Suhu pengalihan kaca (T g): Suhu pengalihan kaca atau T g ialah julat suhu di mana substrat berubah dari keadaan kaca, ketat ke keadaan lembut, yang boleh diformasi kerana rantai polimer menjadi lebih bergerak. Apabila bahan sejuk, cirinya akan kembali ke keadaan asalnya. T g dikatakan dalam darjah Celsius (°C).

Suhu penyahkomposisi (T d): Suhu penyahkomposisi atau T d ialah suhu di mana bahan PCB mengalami penyahkomposisi kimia (bahan kehilangan sekurang-kurangnya 5% daripada massa). Seperti T g, T d juga diekspresikan dalam darjah Celsius (°C).

konduktiviti panas (K): konduktiviti panas, atau k, adalah sifat bahan untuk melakukan panas; konduktiviti panas rendah bermakna pemindahan panas rendah, dan konduktiviti tinggi bermakna pemindahan panas tinggi. Kadar pemindahan panas diukur dalam watt per meter per darjah Celsius (W/M °C).

Coefficient of Thermal Expansion (CTE): Coefficient of thermal expansion or CTE is the expansion rate of the PCB material when heated. CTE diekspresikan dalam bahagian per juta (ppm) per darjah pemanasan Celsius. Apabila suhu bahan naik di atas T g, CTE juga naik. CTE substrat biasanya jauh lebih tinggi daripada tembaga, yang boleh menyebabkan masalah sambungan apabila PCB dipanas.

Ciri-ciri elektrik:

Konstant dielektrik (E r atau D k): Mempertimbangkan konstant dielektrik bahan adalah sangat penting untuk pertimbangan integriti isyarat dan impedance, yang merupakan faktor kunci dalam prestasi elektrik frekuensi tinggi. Er kebanyakan bahan PCB berada dalam julat 2.5 hingga 4.5.

Nilai dalam helaian data hanya sah untuk peratus kandungan resin spesifik (biasanya 50%) dalam bahan. Peratus resin sebenar dalam bahan utama atau prepreg berbeza dengan komposisi, jadi D k akan berbeza. Peratus tembaga dan tebal prepreg yang dipadam akan menentukan ketinggian media. konstan dielektrik biasanya menurun dengan frekuensi meningkat.

Tangen kehilangan (tan δ) atau faktor kehilangan (D f): Faktor kehilangan tangen atau kehilangan adalah tangen sudut fasa diantara arus resisten dan arus reaktif dalam dielektrik. Kehilangan dielektrik meningkat semasa nilai D f meningkat. Nilai rendah D f menghasilkan substrat "cepat", sementara nilai besar menghasilkan substrat "perlahan". D f meningkat sedikit dengan frekuensi; bagi bahan-bahan frekuensi tinggi dengan nilai f D yang sangat rendah, perubahan dengan frekuensi sangat kecil. Julat nilai adalah dari 0.001 hingga 0.030.

Kelajuan dan kehilangan biasa: Bahan kelajuan biasa adalah bahan PCB yang paling biasa-FR-4 series. Permanen dielektrik (D k) dan respon frekuensi mereka tidak terlalu rata, dan mereka mempunyai kehilangan dielektrik yang lebih tinggi. Oleh itu, kemampuan mereka terhad kepada beberapa aplikasi digital/analog GHz. Contoh bahan ini adalah Isola 370HR.

Kelajuan dan kehilangan pertengahan: Bahan kelajuan pertengahan mempunyai lengkung balas frekuensi D k lebih rendah, dan kehilangan dielektrik adalah kira-kira separuh dari bahan kelajuan normal. Ini sesuai untuk hingga ~10GHz. Contoh bahan ini adalah Nelco N7000-2 HT.

Kelajuan tinggi dan kerugian rendah: Bahan-bahan ini juga mempunyai lengkung tindak balas frekuensi dan kerugian dielektrik rendah. Berbanding dengan bahan lain, ia juga menghasilkan suara elektrik yang kurang berbahaya. Contoh bahan ini adalah Isola I-Speed.

Kelajuan yang sangat tinggi dan kehilangan yang sangat rendah (RF/mikrogelombang): Bahan yang digunakan untuk aplikasi RF/mikrogelombang mempunyai tindak balas frekuensi dan kehilangan dielektrik yang paling kecil. Mereka sesuai untuk aplikasi hingga ~20GHz. Contoh bahan ini adalah Isola I-Tera MT40 dan Tachyon 100G.

Kehilangan isyarat dan frekuensi operasi

Bahan PCB boleh mempengaruhi integriti isyarat sirkuit frekuensi tinggi. Anda boleh minimumkan penindasan pada papan sirkuit dengan memilih substrat PCB yang betul dan foil tembaga. Apabila ia berkaitan dengan kehilangan isyarat dalam PCB, dua bahan ini bermain peran yang sangat penting. Kehilangan isyarat termasuk kehilangan dielektrik dan kehilangan tembaga.

Kehilangan dielektik

Bahan-bahan dielektrik terdiri dari molekul polarizasi. Molekul-molekul ini bergetar dalam medan elektrik yang dicipta oleh isyarat berbeza masa pada trajektori isyarat. Ini memanaskan dielektrik dan menyebabkan kehilangan dielektrik sebahagian dari kehilangan isyarat. Kehilangan isyarat ini meningkat dengan frekuensi meningkat. Penggunaan bahan dengan faktor penyebaran yang lebih rendah boleh minimumkan kehilangan isyarat. Semakin tinggi frekuensi, semakin besar kehilangan apa-apa bahan yang diberikan. Ini disebabkan medan elektromagnetik yang terus berubah menyebabkan getaran molekul dalam bahan dielektrik. Semakin cepat molekul bergetar, semakin besar kehilangan.

Kehilangan tembaga

Kehilangan tembaga pada dasarnya berkaitan dengan aliran semasa melalui konduktor. Elektron mungkin tidak sentiasa mengalir melalui pusat konduktor. Jika jejak tembaga selesai dengan nikel, kebanyakan semasa mungkin mengalir melalui lapisan nikel. Semasa frekuensi meningkat, kehilangan kesan kulit akan menjadi lebih besar. Ini boleh dikumpensasi dengan meningkatkan lebar jejak, yang secara bertukar mencipta kawasan permukaan yang lebih besar. Jejak lebar sentiasa mempunyai kehilangan kesan kulit yang lebih rendah. Profil antaramuka gigi foil-dielektrik tembaga meningkatkan panjang efektif, dengan itu meningkatkan kehilangan tembaga. Ia sentiasa disarankan untuk menggunakan tembaga tipis atau sangat tipis.

Untuk memilih bahan PCB lebih baik, jadual di bawah membahagi bahan asas kepada kategori yang berbeza mengikut ciri-ciri kehilangan isyarat.

Pemilihan bahan PCB: pertimbangan elektrik dan penghasilan

perbandingan kategori bahan PCB bagi tangen kehilangan pada 10 GHz

Di sebelah kiri, kita ada bahan seperti FR-4. Ini adalah bahan biasa dan mudah diproses sehari-hari yang boleh digunakan untuk mana-mana aplikasi. Tetapi mereka juga laminat yang paling kehilangan. Ia juga mungkin mempunyai banyak masalah elektrik dan mekanik lain. Material seperti kelajuan Isola I, Isola Astra dan Tachyon menunjukkan kehilangan rendah pada frekuensi tinggi.

Pilihan foil tembaga

Berikut adalah beberapa ciri-ciri yang perlu kita pertimbangkan bila memilih foil tembaga:

Ketebasan tembaga: Ketebasan biasa julat dari 0.25 ons (0.3 mils) hingga 5 ons (7 mils).

Kesucian tembaga: ia adalah peratus tembaga dalam foli tembaga. Kebersihan foil tembaga gred elektronik adalah kira-kira 99.7%.

Profil antaramuka dielektrik tembaga: Jenis halus mempunyai kehilangan tembaga isyarat rendah pada frekuensi tinggi.

Jenis foil tembaga

Elektroplatin tembaga: tembaga ini mempunyai struktur biji menegak dan permukaan yang lebih kasar. Sampah elektroplasi biasanya digunakan untuk PCB yang ketat.

Tembaga kalendar: Jenis tembaga yang dibuat sangat tipis dengan memproses antara roller berat dan digunakan secara luas dalam produksi PCB fleksibel. Copper kalendar mempunyai struktur tektur mengufuk dan permukaan yang lebih lembut, yang menjadikannya pilihan ideal untuk PCB yang tegas-fleksibel dan fleksibel.

Praktik Terbaik untuk Pemilihan Bahan PCB

Koeficen pemadaman terma (CTE): CTE adalah karakteristik terma paling kritik bagi substrat. Jika komponen substrat mempunyai CTE yang berbeza, ia mungkin berkembang dengan kadar berbeza semasa proses penghasilan.

Pilih struktur asas kompat: distribusi D k dalam struktur asas kompat akan seragam.

Lupakan penggunaan FR (penyesalan api)4 dalam aplikasi frekuensi tinggi: Ini disebabkan kehilangan dielektrik tinggi dan lengkung balas frekuensi D k yang lebih lembut. (Untuk frekuensi di bawah 1 GHz).

Guna bahan yang kurang higroskopi: Hygroscopicity adalah kemampuan bahan PCB (dalam kes ini tembaga) untuk menentang penyorban air apabila ditenggelamkan dalam air. Ia adalah peratus peningkatan berat badan bahan PCB disebabkan penyorban air dalam keadaan terkawal mengikut kaedah ujian piawai. Kebanyakan bahan mempunyai nilai penyorban basah dalam julat 0.01% hingga 0.20%.

Sentiasa guna bahan-bahan resisten-CAF: Filament anod konduktif (CAF) adalah filament logam yang dicipta oleh proses migrasi elektrokimia yang diketahui menyebabkan kegagalan PCB. Penggunaan bahan-bahan anti-CAF adalah salah satu cara yang paling efektif untuk mencegah formasi dan kegagalan CAF.