Новости PCB - Выбор материала печатной платы для изготовления печатных плат

При выборе материалов для печатных плат важно сделать правильный выбор в соответствии с вашим дизайном, поскольку материалы для печатных плат влияют на общую производительность. Понимание того, как тепловые и электрические свойства влияют на ваш дизайн до начала производства, может сэкономить ваше время и деньги при достижении наилучших результатов.

Укладка печатных плат в стопку представляет собой создание нескольких слоев печатных плат в непрерывной последовательности. Стопка состоит из сердечников, препрегов и медной фольги. Как правило, стопки расположены симметрично. Толщина печатной платы большинства изделий не превышает 62 мил.

Какие материалы используются при изготовлении печатных плат? Печатные платы изготавливаются с использованием следующих 3 материалов:

Препрег: Адгезивный материал второго уровня, который позволяет склеивать различные ламинаты или фольгу.

Медная фольга: Используется в качестве проводника в печатных платах.

Лминаты (сердечники): изготавливаются путем ламинирования и отверждения препрегов и медной фольги.

Основные свойства материалов для печатных плат

Мы знаем, что ламинаты для печатных плат изготавливаются из диэлектрических материалов. При выборе ламината необходимо учитывать различные свойства используемого диэлектрического материала. Они являются:

Тепловая эффективность печатной платы

Температура стеклования (Tg)

Температура разложения (Td)

Теплопроводность (k)

Коэффициент теплового расширения (CTE)

Температура стеклования (Tg): Температура стеклования или Tg - это температурный диапазон, при котором подложка переходит из стеклообразного, жесткого состояния в мягкое, деформируемое, поскольку полимерные цепи становятся более подвижными. По мере остывания материала его свойства возвращаются к первоначальному состоянию. Tg выражается в градусах Цельсия (°C) в зависимости от организации.

Температура разложения (Td): Температура разложения или Td - это температура, при которой материал печатной платы химически разрушается (потеря не менее 5% массы материала). Как и Tg, Td также выражается в градусах Цельсия (°C) для ткани.

Теплопроводность (K): Теплопроводность, или k, - это свойство материала проводить тепло; низкая теплопроводность означает низкую теплоотдачу, в то время как высокая теплопроводность означает высокую теплоотдачу. Скорость теплопередачи измеряется в ваттах на метр на градус Цельсия (Вт/М°C).

Коэффициент теплового расширения (CTE): Коэффициент теплового расширения или CTE - это скорость расширения материала печатной платы при нагревании. CTE выражается в миллионных долях (ppm) расширения на градус Цельсия при нагревании. Когда температура материала поднимается выше Tg, CTE также повышается. CTE подложки обычно намного выше, чем у меди, что может вызвать проблемы с межсоединениями при нагревании печатной платы.

Электрические характеристики печатных плат

Диэлектрическая постоянная (Dk)

Тангенс угла потерь или коэффициент потерь (Tan δ или Df)

Диэлектрическая проницаемость (Er или Dk): диэлектрическая проницаемость материала важна для обеспечения целостности сигнала и импеданса, которые являются ключевыми факторами высокочастотных электрических характеристик. Большинство материалов для печатных плат имеют значение Er в диапазоне от 2,5 до 4,5.

Значения в таблице материалов действительны только для определенного процентного содержания смолы в материале (обычно 50%). Фактическое процентное содержание смолы в сердцевине или препреге зависит от состава, и цвет сувенирных изделий будет меняться. Процентное содержание меди и толщина прессованного полуотвержденного листа в конечном итоге определяют высоту диэлектрика. Диэлектрическая проницаемость обычно уменьшается с увеличением частоты.

Тангенс угла потерь (tan δ) или коэффициент потерь (Df): Тангенс угла потерь или коэффициент потерь - это тангенс фазового угла между резистивным и реактивным токами в диэлектрике. Потери в диэлектрике увеличиваются с увеличением значения Df. Низкие значения Df приводят к получению "быстрых" подложек, в то время как большие значения приводят к получению "медленных" подложек. Df незначительно увеличивается с увеличением частоты; для высокочастотных материалов с очень низкими значениями Df изменение частоты очень незначительно. Значения варьируются от 0,001 до 0,030.

Выбор материала для печатных плат: основные категории

Какие материалы используются при изготовлении печатных плат? Для изготовления печатных плат используются следующие 3 материала: Основные категории материалов для печатных плат::

Нормальная скорость и потери на печатной плате

Средняя скорость и потери на печатной плате

Высокая скорость и низкие потери на печатной плате

Очень высокая скорость и очень низкие потери (ВЧ/СВЧ)

Нормальная скорость и потери: Материалы с нормальной скоростью являются наиболее распространенными материалами для печатных плат серии FR-4. Их диэлектрическая проницаемость (Dk) не очень постоянна по отношению к частотной характеристике, и они имеют более высокие диэлектрические потери. Поэтому их применение ограничено диапазонами цифровых/аналоговых приложений с частотой несколько ГГц. Примером такого материала является Isola 370HR.

Средняя скорость и потери: Материалы со средней скоростью имеют более плоские кривые Dk и частотной характеристики, а диэлектрические потери примерно вдвое меньше, чем у материалов с нормальной скоростью. Они подходят для работы на частоте до ~ 10 ГГц. Примером такого материала является NelcoN7000-2HT.

Высокая скорость и низкие потери: Эти материалы также имеют более плоские кривые Dk и частотной характеристики и низкие диэлектрические потери. Они также создают меньше вредных электрических помех, чем другие материалы. Примером такого материала является IsolaI-Speed.

Очень высокое быстродействие и очень низкие потери (ВЧ/СВЧ): Материалы для ВЧ/СВЧ-применений имеют самую плоскую акустическую и частотную характеристику и самые низкие диэлектрические потери. Они подходят для применений с частотой до ~20 ГГц. Примером таких материалов являются IsolaI-TeraMT40 и Tachyon100G.

Препрег: Адгезивный материал второй стадии, позволяющий склеивать различные ламинаты или фольгу.

Медная фольга: используется в качестве проводника в печатных платах.

Ламинаты (сердечники): изготавливаются путем ламинирования и отверждения препрегов и медной фольги.

Основные свойства материалов для печатных плат

Мы знаем, что ламинаты для печатных плат изготавливаются из диэлектрических материалов. При выборе ламината необходимо учитывать различные свойства используемого диэлектрического материала. Они являются:

Тепловая эффективность печатной платы

Температура стеклования (Tg)

Температура разложения (Td)

Теплопроводность (k)

Коэффициент теплового расширения (CTE)

Температура стеклования (Tg): Температура стеклования или Tg - это диапазон температур, при котором подложка переходит из стеклообразного, жесткого состояния в мягкое, поддающееся деформации, поскольку полимерные цепи становятся более подвижными. По мере остывания материала его свойства возвращаются к первоначальному состоянию. Tg выражается в градусах Цельсия (°C) в единицах измерения.

Температура разложения (Td): Температура разложения или Td - это температура, при которой материал печатной платы химически разрушается (потеря не менее 5% массы материала). Как и Tg, Td также выражается в градусах Цельсия (°C) для ткани.

Теплопроводность (K): Теплопроводность, или k, - это свойство материала проводить тепло; низкая теплопроводность означает низкую теплоотдачу, в то время как высокая теплопроводность означает высокую теплоотдачу. Скорость теплопередачи измеряется в ваттах на метр на градус Цельсия (Вт/М°C).

Коэффициент теплового расширения (CTE): Коэффициент теплового расширения или CTE - это скорость расширения материала печатной платы при нагревании. CTE выражается в миллионных долях (ppm) расширения на градус Цельсия при нагревании. Когда температура материала поднимается выше Tg, CTE также повышается. CTE подложки обычно намного выше, чем у меди, что может вызвать проблемы с межсоединениями при нагревании печатной платы.

Электрические характеристики печатных плат

Диэлектрическая постоянная (Dk)

Тангенс угла потерь или коэффициент потерь (Tan δ или Df)

Диэлектрическая проницаемость (Er или Dk): диэлектрическая проницаемость материала важна для обеспечения целостности сигнала и импеданса, которые являются ключевыми факторами высокочастотных электрических характеристик. Большинство материалов для печатных плат имеют значение Er в диапазоне от 2,5 до 4,5.

Значения в таблице материалов действительны только для определенного процентного содержания смолы в материале (обычно 50%). Фактическое процентное содержание смолы в сердцевине или препреге зависит от состава, и цвет сувенирных изделий будет меняться. Процентное содержание меди и толщина прессованного полуотвержденного листа в конечном итоге определяют высоту диэлектрика. Диэлектрическая проницаемость обычно уменьшается с увеличением частоты.

Тангенс угла потерь (tan δ) или коэффициент потерь (Df): Тангенс угла потерь или коэффициент потерь - это тангенс фазового угла между резистивным и реактивным токами в диэлектрике. Потери в диэлектрике увеличиваются с увеличением значения Df. Низкие значения Df приводят к получению "быстрых" подложек, в то время как большие значения приводят к получению "медленных" подложек. Df незначительно увеличивается с увеличением частоты; для высокочастотных материалов с очень низкими значениями Df изменение частоты очень незначительно. Значения варьируются от 0,001 до 0,030.

Выбор материала для печатных плат: основные категории

Предпочтительный материал для микросхем Audemars Piguet

Стандартная плата FR-4 не содержит свинца

Isola370HR

VentecVT47

Работает с высокоскоростными материалами, аналогичными стандартным FR-4.

IsolaFR408HR

IsolaI-Speed

IsolaI-Tera

IsolaAstraMT77

Изолатачион 100 г

Керамическая армированная пластина

Rogers RO4350B

Rogers TTM

Rogers RO4003

Rogers RO4230

Стандартные полиимидные пластины

IsolaP95

NelcoN7000-2HT

Усовершенствованный тефлоновый лист

Серия Rogers RO3000

Серия RogersRT/DURROID

RogersULTRALAM2000

Стандартный гибкий лист

DuPont PyraluxAP

DuPont PyraluxLF

DuPont PyraluxFR

Пластины, требующие высокой теплопроводности

Thermagon88

LairdIMPCB

Потери сигнала в цепи и рабочая частота

Материалы печатных плат влияют на целостность сигнала в высокочастотных цепях. Вы можете свести к минимуму затухание на вашей плате, правильно подобрав подложку для печатной платы и медную фольгу. Эти два материала играют очень важную роль, когда речь заходит о потере сигнала в печатных платах. Потери сигнала включают потери в диэлектрике и меди.

Диэлектрические потери

Диэлектрические материалы состоят из поляризованных молекул. Эти молекулы колеблются в электрическом поле, создаваемом изменяющимися во времени сигналами на сигнальной дорожке. Это нагревает диэлектрик и вызывает диэлектрические потери, которые являются частью потери сигнала. Эта потеря сигнала увеличивается с увеличением частоты. Потери сигнала можно свести к минимуму, используя материалы с более низким коэффициентом рассеяния. Чем выше частота, тем больше потери для любого данного материала. Это происходит из-за вибрации молекул в диэлектрическом материале, вызванной изменением электромагнитного поля. Чем быстрее вибрируют молекулы, тем больше потери.

Потеря меди

Потери меди в основном связаны с током, протекающим по проводнику. Электроны не всегда могут проходить через центр проводника. Если медные дорожки покрыты никелем, большая часть тока может протекать через слой никеля. С увеличением частоты увеличивается вероятность потери эффекта поверхностного покрытия. Это можно компенсировать, увеличив ширину выравнивания, что, в свою очередь, увеличивает площадь поверхности. Более широкие выравнивания всегда приводят к меньшей потере эффекта поверхностного покрытия. Профиль поверхности контакта медной фольги с диэлектриком увеличивает эффективную длину и, следовательно, потери в меди. Всегда рекомендуется использовать тонкую или очень тонкую медь.

Существует прямая зависимость между потерями сигнала и частотой. В то же время, мы можем видеть, что потери в некоторых материалах ниже, чем в других. Потеря или ослабление сигнала увеличивается с увеличением частоты. На графике показано, какие материалы могут обладать лучшими электрическими характеристиками при более высоких скоростях.

Выбор медной фольги для печатных плат

Вот несколько характеристик, которые следует учитывать при выборе медной фольги:

Толщина меди: Типичная толщина составляет от 0,25 унций (0,3 мил) до 5 унций (7 мил).

Чистота меди: Это процентное содержание меди в фольге. Чистота медной фольги для электронных устройств составляет около 99,7%.

Профиль медного диэлектрического интерфейса: Тонкий тип меди с низкими потерями сигнала на высоких частотах.

Типы медной фольги для печатных плат

Медь с гальваническим покрытием: Эта медь имеет вертикальную зернистую структуру и шероховатую поверхность. Медь с гальваническим покрытием обычно используется для изготовления жестких печатных плат.

Каландрированная медь - это тип меди, который при механической обработке между тяжелыми валками получается очень тонким и широко используется в производстве гибких печатных плат. Каландрированная медь имеет горизонтальную зернистую структуру и более гладкую поверхность, что делает ее идеальной для изготовления жестких и гибких печатных плат.

Рекомендации по выбору материала для печатных плат

Соответствующий коэффициент теплового расширения (КТР): КТР является наиболее важным термическим свойством подложки. Если компоненты подложки имеют разные КТР, они могут расширяться с разной скоростью в процессе производства.

Выбирайте плотную структуру подложки: Распределение Dk в плотной структуре подложки будет равномерным.

Избегайте применения FR (антипирена)4 в высокочастотных приложениях: это связано с высокими диэлектрическими потерями и более крутой кривой зависимости Dk от частотной характеристики. (Для частот ниже 1 ГГц).

Используйте менее гигроскопичные материалы: Гигроскопичность - это способность материала печатной платы (в данном случае меди) не впитывать воду при погружении в воду. Это процентная доля массы, добавляемая к материалу печатной платы за счет поглощения воды в контролируемых условиях в соответствии со стандартными методами испытаний. Большинство материалов имеют значения влагопоглощения в диапазоне от 0,01% до 0,20%.

Всегда используйте материалы, устойчивые к CAF: Токопроводящая анодная нить (CAF) - это металлическая нить, образованная в результате процесса электрохимической миграции, который, как известно, приводит к повреждениям печатных плат. Использование материалов, устойчивых к CAF, является одним из наиболее эффективных способов предотвращения образования CAF и выхода из строя.

Компоновка печатных плат и их примеры применения

Аккуратная компоновка печатных плат уменьшает электромагнитное излучение, перекрестные помехи и улучшает целостность сигнала.

Это позволяет регулировать полное сопротивление при выравнивании.

Уменьшает размер печатной платы.

Снижает плотность маршрутизации.

Обеспечивает низкий уровень шума на земле и в сети.

Снижает удельное сопротивление заземления и уровня электропитания.

Платы HDI и основные характеристики

Печатные платы с высокой плотностью соединения (HDI) - это печатные платы, которые имеют более высокую плотность проводки на территории организации, чем традиционные печатные платы. К числу важных характеристик плат HDI относятся:

След/расстояние между ними меньше или равны 100 мкм.

Микроповорот меньше или равен 150 мкм.

Захватные площадки менее 400 мкм.

Плотность захвата более 20 площадок на квадратный сантиметр.

Выбор материала печатной платы для качественных HDI-плат

Стабильность размеров: Материал должен быть стабильным по размерам; это также относится к материалам, не относящимся к HDIPCB. Все материалы дают усадку и растягиваются в той или иной степени в процессе производства, и для компенсации этого необходимо масштабировать шаблоны, что не является проблемой, если движение материала предсказуемо.

Технологичность: Материал должен быть прост в обработке. В случае HDI это означает, что его можно без проблем просверлить лазером (испарить). Высококонцентрированная энергия направляется в виде сфокусированного луча в определенную область, который поглощается материалом до тех пор, пока не испарится.

Эпоксидные смолы являются наиболее часто используемыми термореактивными смолами и являются основой промышленности. Благодаря их относительно низкой стоимости, отличной адгезии (как к металлической фольге, так и к самим себе) и хорошим тепловым, механическим и электрическим свойствам. Это гарантирует, что выбранный материал подходит для непрерывного ламинирования. Audemars Piguet Circuits рекомендует для HDIPCB материалы I-Speed и I-TeraMT40.

Файлы/данные, которые Audemars Piguet Circuits хочет получить от дизайнеров

Ниже приведены некоторые из производственных файлов, которые производители печатных плат хотели бы получить от дизайнеров.

Файлы Gerber: Файлы Gerber представляют собой набор файлов, содержащих производственную информацию для каждого слоя печатной платы. Верхняя и нижняя шелкография, Верхняя и нижняя липкая маска, Верхняя и нижняя паяльная маска. Верхний и нижний монтажные слои должны быть указаны в описании изделия.

ODB++: ODB++ - это интеллектуальный формат. Один файл или каталог ODB++ содержит всю информацию, необходимую для определения слоев печатной платы.... Один файл или каталог ODB++ содержит всю информацию, необходимую для определения слоя печатной платы. Этот формат файла обеспечивает стабильную структуру для необходимых данных. Файл ODB++ не гарантирует, что предоставленных данных достаточно для создания проекта, но он позволяет проектировщику объединить все данные и выполнить необходимые проверки на технологичность и надежность.

IPC-2581: IPC-2581 - это общий стандарт сборки и производства печатных плат для методов определения и преобразования данных. IPC-2581 может содержать большое количество файлов в одном XML-файле.

Чертежи FAB для сверления профилей: Чертежи Fab содержат подробные сведения о производстве печатных плат, включая размеры платы, детали сверления, уровни изготовления (уровень 2, уровень 3) и детали укладки. Производственные чертежи отправляются производителю в формате PDF, а все инструменты проектирования поддерживают возможность экспорта чертежей FAB в формате PDF.

Сверло с ЧПУ: Файл сверла с ЧПУ содержит информацию обо всех необходимых отверстиях на плате. Он будет использоваться в качестве входных данных для сверлильного станка для сверления необходимых отверстий на плате.

Файл выбора и размещения: Компьютер использует файл выбора и размещения для определения местоположения различных компонентов на плате с использованием координат.

Файл списка соединений IPC-356: Файл списка соединений IPC-356 содержит информацию о соединениях между различными компонентами. После создания списка соединений убедитесь, что он соответствует списку соединений схемы.

Спецификация содержит список всех компонентов и спецификаций, необходимых для проектирования производства, а также технические требования к ним. Проектировщики могут создавать индивидуальные спецификации с помощью своего программного обеспечения для проектирования, в котором перечислены все комплекты компонентов в электронной таблице Excel. Эти спецификации используются изготовителем в качестве справочного материала для сборки компонентов в правильном порядке, руководствуясь упаковками и кодами.

Правильный выбор материала печатной платы важен, поскольку он влияет на электрические характеристики передачи сигналов. Следуя рекомендациям, приведенным на этом вебинаре по выбору материала печатной платы, вы сможете выбрать оптимальный материал для вашего дизайна печатной платы.