Выбор правильного материала для печатной платы: исчерпывающее руководство

Быстрый переход:

• Тепловые свойства
• Электрические свойства
• Влияние мощности и тепла на выбор материала печатной платы
• Гибкие и жестко-гибкие платы
• Купить печатные платы у Millennium Circuits Limited

Со всеми типами материалов печатных плат цель — проводить электричество и обеспечивать изоляцию между проводящими слоями меди. FR-4 — наиболее широко используемый материал в этой категории. Однако потребности вашей платы неизбежно будут опираться на различные свойства материалов печатных плат. Прочитайте следующее руководство по выбору материала печатной платы, чтобы узнать, что искать, когда речь идет о тепловых, электрических, химических и механических свойствах различных типов материалов печатных плат.

Варианты материалов печатных плат, классификации и соображения свойств подложки

Тепловые свойства

• Температура стеклового перехода (Tg): Подложка печатной платы размягчается при воздействии температур выше определенного порога. Подложка затвердевает обратно в свое естественное состояние после удаления из тепла. Диапазон, в котором это преобразование может быть применено к подложке, известен как температура стеклового перехода (Tg) — единица, отмеченная в градусах Цельсия.
• Температура разложения (Td): При воздействии температур за определенным порогом подложка печатной платы будет разлагаться. В процессе печатная плата теряет пять процентов или больше своей общей массы. Температурный диапазон, в котором происходит этот процесс, известен как температура разложения (Td), отмеченная в градусах Цельсия. В то время как эффекты преобразования Tg самообразуются, как только материал удаляется из температуры стеклового перехода, эффекты температуры разложения на подложке постоянны. Как таковое, лучше использовать материал печатной платы, который может выдерживать температурный диапазон вашей рабочей среды. Температура, необходимая для пайки подложки печатной платы, обычно находится между 200° C и 250° C. Идеально, Tg должен быть ниже этого диапазона, а Td — выше.
• Коэффициент термического расширения (CTE): Скорость расширения печатной платы известна как её CTE. Когда подложка подвергается температурам, превышающим её Tg, материал также пройдет повышение CTE, которое измеряется в частях на миллион (ppm). Подложка обычно будет иметь более высокий CTE, чем медный слой. Эта разница иногда является источником проблем с взаимосвязью при приложении тепла. Из-за ограничений сплетеного стекла вокруг материала печатной платы, CTE обычно в диапазоне 10-20 ppm по осям X и Y. Даже когда температура превышает порог Tg, CTE остается прежним. CTE должен быть сведен к минимуму по оси Z, потому что это направление, в котором материал будет расширяться. Для безопасности рекомендуется CTE 70 ppm или ниже.

• Теплопроводность (k): Теплопроводящие свойства печатной платы называются теплопроводностью (k). Теплопроводность материала напрямую коррелирует с способностью печатной платы передавать тепло. Если k-уровень низок, так же будет низок уровень теплопередачи, и наоборот. Скорости теплопроводности измеряются в ваттах на метр (W/M) при Кельвине (K). Диапазон теплопроводности для многих диэлектрических материалов находится между 0,3 и 6 Вт/м·К. Для сравнения, медь имеет k-уровень 386 Вт/м·°C. Как таковое, медный слой переносит тепло быстрее, чем диэлектрик в печатной плате.

Электрические свойства

• Диэлектрическая постоянная или относительная диэлектрическая проницаемость (Er или Dk): Два из самых важных факторов, определяющих электрическую производительность диэлектрической постоянной, — это импеданс и целостность сигнала. Диэлектрическая постоянная (Er) или относительная диэлектрическая проницаемость (Dk) материала печатной платы обычно между 3,5 и 5,5. Уровень Er материала зависит от частоты и обычно падает по мере роста частоты. Уровень Dk меняется меньше на некоторых материалах печатных плат, чем на других. Для того чтобы материал был безопасным для приложений, включающих высокие частоты, он должен поддерживать стабильную диэлектрическую постоянную на широком диапазоне частот.

• Диэлектрический тангенс потерь или коэффициент диссипации (Tan δ или Df): Материал теряет меньше мощности, если его тангенс потерь низок. Диэлектрический тангенс потерь (Tan δ) материалов, используемых в печатных платах, обычно в диапазоне 0,02 до 0,001. Первая цифра применяется к более широко используемым материалам. Однако вторая цифра обычно применяется к высококлассным материалам. Tan δ также увеличивается вместе с частотой. Когда речь идет о цифровой схеме, тангенс потерь обычно является фактором незначительной важности. Исключения к этому правилу включают любое приложение, где уровень частоты превышает 1 ГГц. Тангенс потерь более значителен для аналоговых сигналов.
• Объемное сопротивление (ρ): Сопротивление диэлектрического материала изоляции или электричеству известно как его объемное сопротивление (ρ). Материал печатной платы с высоким сопротивлением будет менее склонен способствовать электрическим зарядам. Ом-метры (Ω·м) — а также ом-сантиметры (Ω·см) — используются для измерения сопротивления данного диэлектрика. Как все диэлектрические изоляторы, материал на печатной плате должен иметь высокое сопротивление, предпочтительно в диапазоне 10³ до 10¹⁰ Мегаом-сантиметров. Внешние факторы вроде тепла, холода и влажности могут влиять на сопротивление материала.
• Поверхностное сопротивление (ρS): Поверхностное сопротивление диэлектрического материала изоляции и электричеству называется поверхностным сопротивлением (ρS). Как и уровень ρ материала, ρS должен быть высоким, предпочтительно в диапазоне 10³ до 10⁹ Мегаом на квадрат. Как и ρ, уровень ρS материала может быть затронут температурными экстремумами и влажностью.
• Электрическая прочность: В направлении Z печатной платы способность диэлектрического материала противостоять электрическому пробою называется электрической прочностью, измеряемой в Вольт/мил. Большинство материалов печатных плат имеют электрическую прочность между 800 В/мил и 1500 В/мил.

Запросить бесплатную котировку

Влияние мощности и тепла на выбор материала печатной платы

Химические свойства

• Спецификации горючести (UL94): Огнезащитные свойства пластиков — также известные как горючесть пластиков — ранжируются от высшего к низшему в Стандарте безопасности горючести пластиковых материалов для деталей в устройствах и приборах (UL94). Требования для материалов печатных плат в UL94 гласят, что образцы не могут гореть дольше 10 секунд с пламенным горением. Для набора из пяти образцов, комбинированные образцы не могут гореть дольше 50 секунд с пламенным горением.
• Поглощение влаги: Когда погружен в жидкость, способность диэлектрического материала выдерживать этот вид воздействия называется поглощением влаги. Большинство материалов печатных плат имеют значение поглощения влаги между 0,01% и 0,20%. Электрические и тепловые свойства диэлектрика оба влияются поглощением влаги материала.
• Сопротивление хлористу метылену: Химическое сопротивление материала печатной платы называется сопротивлением хлористу метылену (MCR), которое наиболее прямо измеряет сопротивление диэлектрика поглощению хлористого метылена. Диэлектрики часто имеют MCR между 0,01% и 0,20%.

Гибкие и жестко-гибкие платы

Механические свойства

• Сила отслоения (Peel Strength): Способность сцепления между диэлектрическими и медными слоями в печатной плате известна как сила отслоения. В процессе производства печатных плат сила отслоения тестируется на медных трассах толщиной в одну унцию под следующими тремя условиями: после термического напряжения, при высоких температурах и после химического воздействия.
• Изгибная прочность (Flexural Strength): Способность диэлектрического материала выдерживать физическое напряжение без поломки называется изгибной прочностью, измеряемой в килограммах на квадратный метр или фунтах на квадратный дюйм. Для тестирования изгибной прочности печатной платы сила приложена в центре, пока только концы поддерживаются. Диэлектрическая прочность также измеряется модулем упругости на растяжение, который определяет отношение напряжение/деформация материала печатной платы и насколько хорошо он держится в каждом направлении. Модуль упругости на растяжение часто называют модулем Юнга, который используется вместо изгибной прочности некоторыми производителями как мера способности печатной платы выдерживать напряжение.
• Плотность: Плотность диэлектрического материала измеряется в граммах на кубический сантиметр (г/см³). Альтернативно, плотность печатной платы также может измеряться в фунтах на кубический дюйм (фунт/дюйм³).
• Время до делиминации: Продолжительность сопротивления диэлектрического материала эффектам, вызывающим делиминацию, называется «временем до делиминации», которое определяет, сколько времени потребуется для того, чтобы слои печатной платы расходятся друг от друга при воздействии температур за определенный порог. Материал печатной платы — будь то ламинат или стекловолокно — также может делиминироваться при воздействии термического шока или влаги.

Читать больше о гибких и жестко-гибких платах

Материал для HDI: соображения

Факторы вроде низкокачественной медной фольги и диэлектриков могут влиять на механизмы печатной платы. С правильным выбором диэлектрических материалов вы можете предотвратить вашу печатную плату от отправки ошибочных сигналов.

Молекулярная природа диэлектриков может сделать вашу систему уязвимой к потерям. Каждый раз, когда сигнал генерируется, магнитные поля внутри молекул вибрируют. Эффекты этого определяются высотой частоты сигнала. Когда вибрации происходят, энергия становится теплом и следовательно теряется в системе.

Медные проводники также могут быть причиной потерь в системе. Когда электроны сбиваются с центра проводника, частота идет вверх. Например, никелированный медный проводник увидит потери, так как значительные количества тока текут через никель вместо меди. Проводник, состоящий полностью из меди, также может видеть потери, если присутствуют микровыступы, так как они могут отправлять ток вверх и вниз и вызывать сопротивление.

Читать больше о HDI платах

Какие функции вы можете выбрать?

Чтобы предотвратить потери в вашей системе, проверьте ваши варианты в обеих следующих категориях, чтобы убедиться, что вы выбираете материалы, наиболее подходящие для высоких частот:

• Подложка: Различные материалы содержатся в подложке печатной платы, такие как эпоксидная смола и стекловолокна. Подложка должна иметь низкую диэлектрическую постоянную для производства цепей высокой частоты.
• Фольга: Существует несколько разных типов фольги, которые могут быть применены к меди. Выберите медь, которая может наиболее надежно минимизировать сопротивление.

Низкокачественные и несоответствующие подложки и фольги могут привести к дорогостоящим потерям, но правильные выборы могут помочь вам получить долгую производительность печатных плат без потерь.

Лучшие практики и дальнейшие соображения

Чтобы выбрать лучшую подложку и фольгу для приложений высокой частоты, вам нужно держать в уме определенные практики:

• Совпадение диэлектрических постоянных: На печатной плате Dk различных диэлектрических постоянных должны совпадать друг с другом. Если Dk противоречат, проблемы, вероятно, возникнут. Пример несоответствующих Dk может быть смолой, спаренной с тканым слоем.
• Совпадение коэффициента термического расширения (CTE): Из качеств подложки, относящихся к температуре, CTE наиболее важен. Как и с Dk, CTE между двумя подложками должен совпадать. Иначе две подложки могут расширяться на разных скоростях и последовательностях. В процессе фабрикации различающиеся CTE могут привести к дефектам. Когда печатная плата в использовании, конфликтующие CTE могут влиять на Dk.
• Плотное плетение подложки: Подложка должна быть сплетена плотно для того, чтобы материал и сетка правильно взаимодействовали. Если нет, Dk будут негативно затронуты.
• Не используйте FR-4: Из-за своей низкой стоимости FR-4 — распространенный выбор. Для цепей, генерирующих высокие частоты, однако, FR-4 — не подходящий материал.
• Используйте только гладкие фольги: Чтобы смягчить потери на самых высоких частотах, используйте гладкую медную фольгу.
• Используйте проводящую фольгу: Плохие проводники могут иметь демпфирующий эффект на цепь. Чтобы убедиться, что это не произойдет, используйте только правильную проводящую фольгу.

Когда речь идет о печатных платах, производительность — это всё о качестве, которое вы можете обеспечить только с высококачественными, хорошо согласованными частями. Пока вы просматриваете каталоги и рассматриваете, какая печатная плата может лучше всего подойти для ваших нужд, держите в уме следующие соображения также:

• Стоимость: Подложки хорошего качества могут быть значительными инвестициями. Факт в том, что вы получаете то, за что платите, когда речь идет о печатных платах. Если вы не готовы правильно инвестировать, вы стоите потерять гораздо больше в будущем, когда части выйдут из строя.

• Производственные дефекты: С любым материалом, спроектированным для работы на высоких частотах, всегда мудро дважды проверять возможные дефекты, которые часто встречаются в PTFE и некоторых других материалах.

Когда вы выбираете правильные материалы, вкладываете правильную сумму денег и проверяете на производственные дефекты, вы гораздо более вероятно получите много лет производительности без потерь от вашей печатной платы.

Купить печатные платы у Millennium Circuits Limited

В Millennium Circuits Limited (MCL) мы предоставляем передовые печатные платы. Каждая печатная плата, которую мы предлагаем, ценится конкурентоспособно и спроектирована до совершенства. Как ведущий поставщик печатных плат в Пенсильвании, наша миссия здесь в MCL — предоставить лучший сервис на объемах заказов всех размеров.

От наших скромных начал в подвале в Харрисбурге, Пенсильвания, до нашего текущего просторного офиса, мы достигли сотен клиентов по всему миру с нашими экспертно произведенными печатными платами. Сегодня мы предоставляем печатные платы как локально, так и оффшорно, что дает нашим клиентам больше гибкости, когда они выбирают MCL как свой источник печатных плат.

После трех последовательных лет начисления среди «Топ-50 самых быстро растущих компаний в Центральной Пенсильвании», MCL была ранжирована среди Топ-250 компаний штата в 2015 году — удивительный прогресс для компании, которая начала всего 10 лет назад с намерением в конечном счете вырасти в ведущего поставщика печатных плат. С нашим 98-процентным рейтингом качества «Отлично» и нашим 99-процентным рекордом своевременной доставки, команда здесь в MCL может предоставить вам самый лучший в клиентском сервисе. Чтобы узнать больше о наших печатных платах, перейдите на наши страницы продуктов и услуг и свяжитесь с нами сегодня, чтобы связаться с нашими представителями.

Запросить бесплатную котировку