De juiste PCB-materiaal kiezen: een uitgebreide gids

Spring naar:

• Thermische eigenschappen
• Elektrische eigenschappen
• Vermogen en warmte impact op PCB-materiaalselectie
• Flex en Rigid-Flex borden
• Koop PCB's bij Millennium Circuits Limited

Met alle PCB-materiaaltypen is het doel om elektriciteit te geleiden en isolatie te bieden tussen geleidende koperlagen. FR-4 is het meest gebruikte materiaal in deze categorie. De behoeften van uw bord zullen echter onvermijdelijk berusten op diverse PCB-materiaaleigenschappen. Lees de volgende PCB-materiaalselectiegids om te leren waar u op moet letten bij de thermische, elektrische, chemische en mechanische eigenschappen van verschillende PCB-materiaaltypen.

PCB-materiaalopties, classificaties en substraateigenschapsoverwegingen

Thermische eigenschappen

• Glasovergangstemperatuur (Tg): Een PCB-substraat verzacht bij blootstelling aan temperaturen boven een bepaalde drempel. Het substraat verhert weer naar zijn natuurlijke toestand zodra het van de warmte wordt verwijderd. Het bereik waarin deze transformatie op een substraat kan worden toegepast, wordt glasovergangstemperatuur (Tg) genoemd – een eenheid in graden Celsius.
• Ontbindingstemperatuur (Td): Bij blootstelling aan temperaturen boven een bepaalde drempel, zal een PCB-substraat ontbinden. In het proces verliest de PCB vijf procent of meer van zijn totale massa. Het temperatuurbereik waarin dit proces plaatsvindt, wordt ontbindingstemperatuur (Td) genoemd, in graden Celsius genoteerd. Terwijl de effecten van een Tg-transformatie zichzelf omkeren zodra het materiaal uit de glasovergangstemperatuur wordt gehaald, zijn de effecten van ontbindingstemperatuur op een substraat permanent. Het is daarom het beste om een PCB-materiaal te gebruiken dat het temperatuurbereik van uw werkomgeving kan aan. De temperatuur die nodig is om een PCB-substraat te solderen, ligt doorgaans tussen 200°C en 250°C. Ideaal is dat de Tg onder dat bereik ligt en de Td hoger.
• Coëfficiënt van thermische uitdiding (CTE): De uitdidingssnelheid van een PCB wordt als CTE aangeduid. Wanneer een substraat blootgesteld wordt aan temperaturen die de Tg overschrijden, zal het materiaal ook een stijging in CTE ondergaan, gemeten in delen per miljoen (ppm). Een substraat heeft doorgaans een hogere CTE dan een koperlaag. Dit verschil is soms de bron van interconnectieproblemen wanneer warmte wordt toegepast. Vanwege de beperkingen van geweven glas rond PCB-materiaal, is CTE typisch in het bereik van 10 tot 20 ppm over de X- en Y-assen. Zelfs wanneer de temperatuur de Tg-drempel overschrijdt, blijft de CTE hetzelfde. De CTE zou op een minimum gehouden moeten worden over de as omdat dit de richting is waarin het materiaal zal uitdijen. Om op de veilige kant te zijn, wordt een CTE van 70 ppm of minder aanbevolen.

• Thermische geleiding (k): De warmtegeleidingseigenschappen van een PCB worden aangeduid als thermische geleiding (k). De thermische geleiding van een materiaal correleert direct met de capaciteit van de PCB om warmte over te dragen. Als het k-niveau laag is, zal het warmteoverdrachtniveau ook laag zijn, en vice versa. Thermische geleidingscoëfficiënten worden gemeten in watt per meter (W/M) bij Kelvin (K). Het thermische geleidingsbereik voor veel dielektrische materialen ligt tussen 0,3 en 6 W/mk. Ter vergelijking: koper heeft een k-niveau van 386 W/M-°C. Als zodanig draagt de koperlaag warmte sneller dan het dielektrische in een PCB.

Elektrische eigenschappen

• Dielektrische constante of relatieve permittiviteit (Er of Dk): Twee van de belangrijkste factoren die de elektrische prestaties van een dielektrische constante bepalen, zijn impedantie en signaalintegriteit. De dielektrische constante (Er) of relatieve permittiviteit (Dk) van een PCB-materiaal is doorgaans tussen 3,5 en 5,5. Het Er-niveau van een materiaal hangt af van de frequentie en zal meestal dalen naarmate de frequentie stijgt. Het Dk-niveau verandert minder op bepaalde PCB-materialen dan op andere. Voor een materiaal veilig te zijn voor toepassingen die hoge frequenties omvatten, moet het een stabiele dielektrische constante behouden over een breed frequentiebereik.

• Dielektrische verliesstangens of dissipatiefactor (Tan δ of Df): Een materiaal verliest minder vermogen als de verliesstangens laag is. De dielektrische verliesstangens (Tan δ) van materialen die in printplaten worden gebruikt, is doorgaans in het bereik van 0,02 tot 0,001. Het eerste cijfer geldt voor de meer gebruikte materialen. Het laatste cijfer geldt doorgaans voor high-end materialen. Tan δ neemt ook toe met de frequentie. Wat digitale schakelingen betreft, is verliesstangens doorgaans een factor van gering belang. Uitzonderingen op deze regel omvatten elke toepassing waar het frequentieniveau 1 GHz overschrijdt. Verliesstangens is meer consequent voor analoge signalen.
• Volumeresistiviteit (ρ): De weerstand van een dielektrisch materiaal tegen isolatie of elektriciteit wordt als volumereistiviteit (ρ) aangeduid. PCB-materiaal met hoge resistiviteit zal minder geneigd zijn om elektrische ladingen te faciliteren. Ohm-meters (Ω-m) – evenals ohm-centimeters (Ω-cm) – worden gebruikt om de resistiviteit van een gegeven dielektricum te meten. Zoals alle dielektrische isolatoren, moet het materiaal op een printplaat hoge resistiviteit hebben, bij voorkeur in het bereik van 10³ tot 10¹⁰ Megaohm-centimeters. Externe factoren als warmte, kou en vocht kunnen invloed hebben op de resistiviteit van een materiaal.
• Oppervlakteresistiviteit (ρS): De oppervlakteweerstand van een dielektrisch materiaal tegen isolatie en elektriciteit wordt aangeduid als oppervlakteresistiviteit (ρS). Net als bij het ρ-niveau van een materiaal, moet de ρS hoog zijn, bij voorkeur in het bereik van 10³ tot 10⁹ Megaohm per vierkante centimeter. Net als bij ρ, kan het ρS-niveau van een materiaal beïnvloed worden door temperatuurextremen en vocht.
• Elektrische sterkte: In de Z-richting van een printplaat, het vermogen van een dielektrisch materiaal om een elektrische doorbraak te weerstaan, wordt aangeduid als elektrische sterkte, gemeten in Volts/mil. De meeste PCB-materialen hebben een elektrische sterkte tussen 800 V/mil en 1500 V/mil.

Vraag een gratis offerte aan

Vermogen en warmte impact op PCB-materiaalselectie

Chemische eigenschappen

• Brandbaarheidsspecificaties (UL94): De vlammende eigenschappen van kunststoffen – ook wel kunststofvlambaarheid genoemd – worden gerangschikt van hoogste naar laagste in de Standaard voor Veiligheid van Vlambaarheid van Kunststofmaterialen voor Onderdelen in Apparaten en Toestellen (UL94). De eisen voor PCB-materialen in UL94 stellen dat monsters niet langer dan 10 seconden mogen branden met vlammende verbranding. Voor een set van vijf monsters mogen de gecombineerde monsters niet langer dan 50 seconden branden met vlammende verbranding.
• Vochtabsorptie: Wanneer in vloeistof gedoopt, de capaciteit van een dielektrisch materiaal om dit soort blootstelling te weerstaan, wordt aangeduid als vochtabsorptie. De meerderheid van PCB-materialen heeft een vochtabsorptiewaarde tussen 0,01 procent en 0,20 procent. De elektrische en thermische eigenschappen van een dielektricum worden allebei beïnvloed door de vochtabsorptie van het materiaal.
• Methyleenchlorideweerstand: De chemische weerstand van een PCB-materiaal wordt aangeduid als methyleenchlorideweerstand (MCR), wat het meest direct de weerstand van een dielektricum tegen methyleenchlorideabsorptie meet. Dielektrica hebben vaak een MCR tussen 0,01 procent en 0,20 procent.

Flex en Rigid-Flex borden

Mechanische eigenschappen

• Afscheursterkte: De bindende capaciteit tussen dielektrische en koperlagen in een printplaat wordt als afscheursterkte aangeduid. Tijdens de PCB-productiefase wordt afscheursterkte getest op één-ounce-dikke koperbanen onder de volgende drie condities: na thermische stress, bij hoge temperaturen en na chemische blootstelling.
• Buigsterkte: Het vermogen van een dielektrisch materiaal om fysieke stress te dragen zonder te breken, wordt aangeduid als buigsterkte, gemeten in kilogram per vierkante meter of pond per vierkante inch. Om de buigsterkte van een printplaat te testen, wordt kracht toegepast in het midden terwijl alleen de einden worden ondersteund. Dielektrische sterkte wordt ook gemeten door de trekmoduuls, die de spanning/vervorming verhouding van een PCB-materiaal bepaalt en hoe goed het in elke richting houdt. Trekmoduuls wordt vaak aangeduid als Young's modulus, dat door sommige fabrikanten wordt gebruikt in plaats van buigsterkte als maat voor een PCB's vermogen om stress te weerstaan.
• Dichtheid: De dichtheid van een dielektrisch materiaal wordt gemeten in gram per kubieke centimeter (g/cc). Alternatief kan PCB-dichtheid ook gemeten worden in pond per kubieke inch (lb/in^3).
• Tijd tot delaminatie: De duur van de weerstand van een dielektrisch materiaal tegen delaminatieveroorzakende effecten wordt aangeduid als "tijd tot delaminatie", wat bepaalt hoe lang het duurt voordat de lagen van een PCB van elkaar loskomen wanneer ze blootgesteld worden aan temperaturen boven een bepaalde drempel. Een PCB-materiaal – hetzij laminaat of glasvezel – kan ook delamineren als het blootgesteld wordt aan thermische schok of vocht.

Lees meer over Flex en Rigid-Flex borden

Materiaal voor HDI-overwegingen

Factoren zoals laagwaardige koperfolie en dielektrica kunnen de mechanismen van een PCB beïnvloeden. Met de juiste selectie van dielektrische materialen kunt u voorkomen dat uw printplaat foutieve signalen uitzendt.

De moleculaire aard van dielektrica kan uw systeem kwetsbaar maken voor verlies. Elke keer dat een signaal gegenereerd wordt, trillen de magnetische velden binnen de moleculen. De effecten hiervan worden bepaald door de hoogte van de signaalfrequentie. Wanneer trillingen optreden, wordt energie warmte en consequent in het systeem verloren.

Kopergeleiders kunnen ook een oorzaak van verlies binnen een systeem zijn. Wanneer elektronen van het centrum van een geleider afdwalen, gaat de frequentie omhoog. Bijvoorbeeld, een nikkel-gefinisheerde kopergeleider zal verlies zien aangezien aanzienlijke hoeveelheden stroom door de nikkel in plaats van de koper vloeien. Een geleider bestaande volledig uit koper kan ook verlies zien als micro-ruggen aanwezig zijn, aangezien deze de stroom omhoog en omlaag kunnen sturen en weerstand veroorzaken.

Lees meer over HDI-borden

Welke functies kunt u kiezen?

Om verlies in uw systeem te voorkomen, controleer uw opties in beide van de volgende categorieën om ervoor te zorgen dat u materialen selecteert die het beste geschikt zijn voor hoge frequenties:

• Substraat: Verschillende materialen zijn opgenomen in het substraat van een printplaat, zoals epoxy en glasvezel. Een substraat moet een lage dielektrische constante hebben om circuits met hoge frequentie te produceren.
• Folie: Er zijn verschillende typen folie die op koper toegepast kunnen worden. Selecteer een koper die de weerstand het meest betrouwbaar kan minimaliseren.

Laagwaardige en gemismatchte substraten en folies kunnen leiden tot kostelijk verlies, maar de juiste keuzes kunnen u helpen om langdurige PCB-prestaties te krijgen.

Beste praktijken en verdere overwegingen

Om het beste substraat en folie voor toepassingen met hoge frequentie te selecteren, moet u bepaalde praktijken in gedachten houden:

• Match de dielektrische constanten: Op een printplaat moeten de Dk's van de verschillende dielektrische constanten met elkaar gematcht worden. Als de Dk's contradictorisch zijn, zullen er waarschijnlijk problemen optreden. Een voorbeeld van gemismatchte DK's zou een hars zijn gepaard met een geweven laag.
• Match Coëfficiënt van thermische uitdiding (CTE): Van de substraateigenschappen die betrekking hebben op temperatuur, is CTE het meest belangrijk. Net als bij Dk, moet de CTE tussen twee substraten matchen. Anders kunnen de twee substraten met verschillende snelheden en consistenties uitdijen. Tijdens het fabricageproces kunnen verschillende CTE's leiden tot defecten. Wanneer de PCB in gebruik is, kunnen de botsende CTE's de DK's beïnvloeden.
• Dicht substraatweefsel: Het substraat moet dicht geweven zijn voor de materiaal en mesh om correct te interacteren. Als niet, zullen de DK's negatief beïnvloed worden.
• Gebruik geen FR-4: Vanwege de lage kosten is FR-4 een veelvoorkomende keuze. Voor circuits die hoge frequenties genereren, is FR-4 echter een ongeschikt materiaal.
• Gebruik alleen gladde folies: Om verliezen op de hoogste frequenties te mitigeren, gebruik gladde koperfolie.
• Gebruik een geleidende folie: Slechte geleiders kunnen een dempend effect hebben op het circuit. Om ervoor te zorgen dat dit niet gebeurt, gebruik alleen de juiste geleidende folie.

Bij PCB's gaat prestaties om kwaliteit, wat u alleen kunt garanderen met hoogwaardige, goed gematchte onderdelen. Terwijl u door catalogi bladert en overweegt welke PCB het beste aan uw behoeften past, houd de volgende overwegingen ook in gedachten:

• Kosten: Substraten van goede kwaliteit kunnen een aanzienlijke investering zijn. Het feit is, u krijgt wat u betaalt voor wanneer het gaat om printplaten. Als u niet bereid bent om correct te investeren, staat u ervoor om veel meer te verliezen op de lange termijn als onderdelen falen.

• Fabricagedefecten: Bij elk materiaal dat ontworpen is om bij hoge frequenties te opereren, is het altijd verstandig om te dubbelchecken op mogelijke defecten, die veelvoorkomend zijn in PTFE en bepaalde andere materialen.

Wanneer u de juiste materialen selecteert, het juiste bedrag investeert en controleert op fabricagedefecten, bent u veel waarschijnlijker om jarenlang prestaties zonder verlies van uw printplaat te krijgen.

Koop PCB's bij Millennium Circuits Limited

Bij Millennium Circuits Limited (MCL) leveren we topprintplaten. Elke PCB die we aanbieden, is concurrentieel geprijsd en tot perfectie geëngineerd. Als Pennsylvanië's toonaangevende leverancier van PCB's, is het onze missie bij MCL om de beste service te bieden bij bestelvolumes van alle groottes.

Van onze bescheiden begin in een kelder in Harrisburg, Pennsylvania, tot onze huidige ruime hoofdkantoor, hebben we honderden klanten over de hele wereld bereikt met onze expert geproduceerde PCB's. Vandaag de dag leveren we PCB's zowel lokaal als offshore, wat onze klanten meer flexibiliteit geeft wanneer ze MCL kiezen als hun PCB-bron.

Na drie achtereenvolgende jaren waarin we genomineerd waren onder de "Top 50 snelst groeiende bedrijven in Centraal PA," werd MCL in 2015 gerangschikt onder de Top 250 bedrijven van de staat – een verbluffende vooruitgang voor een bedrijf dat slechts 10 jaar eerder begon met de intentie om uiteindelijk uit te groeien tot een toonaangevende leverancier van printplaten. Met ons 98 procent "Uitstekend" kwaliteitscijfer en ons 99 procent on-time leveringsrecord, kan het team hier bij MCL u voorzien van de allerbeste klantenservice. Om meer te leren over onze PCB's, klik door naar onze producten- en dienstenpagina's en neem vandaag nog contact met ons op om in contact te komen met onze vertegenwoordigers.

Vraag een gratis offerte aan