Leitfaden zur Auswahl von PCB-Materialien

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• Thermische Eigenschaften
• Elektrische Eigenschaften
• Einfluss von Strom und Wärme auf die Auswahl des PCB-Materials
• Flex- und Starrflex-Boards
• Kaufen Sie PCBs von Millennium Circuits Limited

Bei allen Arten von PCB-Materialien besteht der Zweck darin, Elektrizität zu leiten und eine Isolierung zwischen leitenden Kupferschichten bereitzustellen. FR-4 ist das am weitesten verbreitete Material in dieser Kategorie. Die Anforderungen Ihrer Platine hängen jedoch ausnahmslos von verschiedenen PCB-Materialeigenschaften ab. Lesen Sie den folgenden Leitfaden zur Auswahl von PCB-Materialien, um zu erfahren, worauf Sie achten müssen, wenn es um die thermischen, elektrischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften verschiedener PCB-Materialtypen geht.

PCB-Materialoptionen, Klassifikationen und Überlegungen zu Substrateigenschaften

Thermische Eigenschaften

• Glasübergangstemperatur (Tg): Ein PCB-Substrat erweicht, wenn es Temperaturen über einem bestimmten Schwellenwert ausgesetzt wird. Das Substrat härtet wieder in seinen natürlichen Zustand aus, sobald es der Hitze entzogen wird. Der Bereich, in dem diese Umwandlung auf ein Substrat angewendet werden kann, ist als Glasübergangstemperatur (Tg) bekannt – eine Einheit, die in Grad Celsius angegeben wird.
• Zersetzungstemperatur (Td): Wenn es Temperaturen über einem bestimmten Schwellenwert ausgesetzt wird, zersetzt sich ein PCB-Substrat. Dabei verliert die Leiterplatte fünf Prozent oder mehr ihrer Gesamtmasse. Der Temperaturbereich, in dem dieser Prozess abläuft, wird als Zersetzungstemperatur (Td) bezeichnet und in Grad Celsius angegeben. Während sich die Auswirkungen einer Tg-Umwandlung selbst umkehren, sobald das Material von seiner Glasübergangstemperatur entfernt wird, sind die Auswirkungen der Zersetzungstemperatur auf ein Substrat dauerhaft. Daher ist es am besten, ein PCB-Material zu verwenden, das den Temperaturbereich Ihrer Arbeitsumgebung bewältigen kann. Die zum Löten eines PCB-Substrats erforderliche Temperatur liegt im Allgemeinen zwischen 200 °C und 250 °C. Idealerweise sollte die Tg unter diesem Bereich liegen und die Td höher sein.
• Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE): Die Expansionsrate einer Leiterplatte wird als CTE bezeichnet. Wenn ein Substrat Temperaturen ausgesetzt wird, die seine Tg überschreiten, erfährt das Material auch einen Anstieg des CTE, der in Teilen pro Million (ppm) gemessen wird. Ein Substrat hat im Allgemeinen einen höheren CTE als eine Kupferschicht. Dieser Unterschied ist manchmal die Quelle von Verbindungsproblemen, wenn Wärme zugeführt wird. Aufgrund der Beschränkungen von gewebtem Glas um PCB-Material liegt der CTE typischerweise im Bereich von 10 bis 20 ppm über die X- und Y-Achse. Selbst wenn die Temperatur die Tg-Schwelle überschreitet, bleibt der CTE gleich. Der CTE sollte über die Achse auf einem absoluten Minimum gehalten werden, da dies die Richtung ist, in der sich das Material ausdehnt. Sicherheitshalber wird ein CTE von 70 ppm oder darunter empfohlen.

• Wärmeleitfähigkeit (k): Die wärmeleitenden Eigenschaften einer Leiterplatte werden als Wärmeleitfähigkeit (k) bezeichnet. Die Wärmeleitfähigkeit eines Materials korreliert direkt mit der Fähigkeit der Leiterplatte, Wärme zu übertragen. Wenn das k-Niveau niedrig ist, ist es auch das Niveau der Wärmeübertragung und umgekehrt. Wärmeleitfähigkeitsraten werden in Watt pro Meter (W/M) bei Kelvin (K) gemessen. Der Wärmeleitfähigkeitsbereich für viele dielektrische Materialien liegt zwischen 0,3 und 6 W/mk. Zum Vergleich:Kupfer hat einen k-Pegel von 386 W/M -ºC. Daher transportiert die Kupferschicht Wärme schneller als das Dielektrikum in einer Leiterplatte.

Elektrische Eigenschaften

• Dielektrizitätskonstante oder relative Permittivität (Er oder Dk): Zwei der wichtigsten Faktoren, die die elektrische Leistung einer Dielektrizitätskonstante bestimmen, sind Impedanz und Signalintegrität. Die Dielektrizitätskonstante (Er) oder Dielektrizitätskonstante (Dk) eines Leiterplattenmaterials liegt im Allgemeinen zwischen 3,5 und 5,5. Der Er-Pegel eines Materials hängt von der Frequenz ab und nimmt normalerweise ab, wenn die Frequenz ansteigt. Der Dk-Pegel ändert sich bei bestimmten Leiterplattenmaterialien weniger als bei anderen. Damit ein Material für Anwendungen mit hohen Frequenzen sicher ist, muss es über einen breiten Frequenzbereich eine stabile Dielektrizitätskonstante beibehalten.

• Dielektrischer Verlustfaktor oder Verlustfaktor (Tan δ oder Df): Ein Material verliert weniger Leistung, wenn sein Verlustfaktor niedrig ist. Der Tangens des dielektrischen Verlusts (Tan δ) von Materialien, die in Leiterplatten verwendet werden, liegt im Allgemeinen im Bereich von 0,02 bis 0,001. Die erstere Zahl gilt für die weiter verbreiteten Materialien. Letztere Zahl gilt jedoch im Allgemeinen für High-End-Materialien. Tan δ nimmt auch zusammen mit der Frequenz zu. Bei digitalen Schaltungen spielt der Verlustfaktor im Allgemeinen eine untergeordnete Rolle. Zu den Erwartungen an diese Regel gehören alle Anwendungen, bei denen der Frequenzpegel 1 GHz übersteigt. Der Verlustfaktor ist bei analogen Signalen folgenreicher.
• Volumenwiderstand (ρ): Der Widerstand eines dielektrischen Materials gegen Isolierung oder Elektrizität wird als Durchgangswiderstand (ρ) bezeichnet. PCB-Material mit hohem spezifischem Widerstand fördert elektrische Ladungen weniger wahrscheinlich. Ohm-Meter (Ω-m) – sowie Ohm-Zentimeter (Ω-cm) – werden verwendet, um den spezifischen Widerstand eines bestimmten Dielektrikums zu messen. Wie alle dielektrischen Isolatoren muss das Material einer Leiterplatte einen hohen spezifischen Widerstand haben, vorzugsweise im Bereich von 10 ³ bis 10 ¹⁰ Megaohm-Zentimeter. Äußere Faktoren wie Hitze, Kälte und Feuchtigkeit können sich auf den spezifischen Widerstand eines Materials auswirken.
• Oberflächenwiderstand (ρS): Der Oberflächenwiderstand eines dielektrischen Materials gegenüber Isolierung und Elektrizität wird als spezifischer Oberflächenwiderstand (ρS) bezeichnet. Wie beim ρ-Niveau eines Materials muss ρS hoch sein, vorzugsweise im Bereich von 10 ³ bis 10 ⁹ c Megaohm pro Quadrat. Wie bei ρ kann der ρS-Wert eines Materials durch extreme Temperaturen und Feuchtigkeit beeinflusst werden.
• Elektrische Stärke: Quer zur Z-Richtung einer Leiterplatte wird die Fähigkeit eines dielektrischen Materials, einem elektrischen Durchschlag zu widerstehen, als elektrische Festigkeit bezeichnet, die in Volt/mil gemessen wird. Die meisten PCB-Materialien haben eine elektrische Festigkeit zwischen 800 V/mil und 1500 V/mil.

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Einfluss von Strom und Wärme auf die Auswahl des PCB-Materials

Chemische Eigenschaften

• Entflammbarkeitsspezifikationen (UL94): Die flammhemmenden Eigenschaften von Kunststoffen – auch als Entflammbarkeit von Kunststoffen bekannt – werden im Standard for Safety of Flammability of Plastic Materials for Parts in Devices and Appliances (UL94) von der höchsten zur niedrigsten eingestuft. Die Anforderungen für Leiterplattenmaterialien in UL94 besagen, dass Proben nicht länger als 10 Sekunden mit flammender Verbrennung brennen dürfen. Bei einem Satz von fünf Proben dürfen die kombinierten Proben nicht länger als 50 Sekunden mit flammender Verbrennung brennen.
• Feuchtigkeitsaufnahme: Wenn ein dielektrisches Material in Flüssigkeit eingetaucht ist, wird die Fähigkeit eines dielektrischen Materials, dieser Art von Exposition zu widerstehen, als Feuchtigkeitsabsorption bezeichnet. Die meisten PCB-Materialien haben einen Feuchtigkeitsaufnahmewert zwischen 0,01 Prozent und 0,20 Prozent. Sowohl die elektrischen als auch die thermischen Eigenschaften eines Dielektrikums werden durch die Feuchtigkeitsaufnahme des Materials beeinflusst.
• Methylenchlorid-Beständigkeit: Die chemische Beständigkeit eines PCB-Materials wird als Methylenchlorid-Widerstand (MCR) bezeichnet, der am direktesten den Widerstand eines Dielektrikums gegen Methylenchlorid-Absorption misst. Dielektrika haben oft einen MCR zwischen 0,01 Prozent und 0,20 Prozent.

Flex- und Starrflex-Boards

Mechanische Eigenschaften

• Schälfestigkeit: Die Bindungsfähigkeit zwischen Dielektrikum und Kupferschichten in einer Leiterplatte ist als Ablösefestigkeit bekannt. Während der Herstellungsphase der Leiterplatte wird die Schälfestigkeit an Kupferbahnen mit einer Dicke von einer Unze unter den folgenden drei Bedingungen getestet:nach thermischer Belastung, bei hohen Temperaturen und nach chemischer Belastung.
• Biegefestigkeit: Die Fähigkeit eines dielektrischen Materials, physikalischen Belastungen standzuhalten, ohne zu brechen, wird als Biegefestigkeit bezeichnet, die in Kilogramm pro Quadratmeter oder Pfund pro Quadratzoll gemessen wird. Um die Biegefestigkeit einer Leiterplatte zu testen, wird eine Kraft in der Mitte aufgebracht, während nur die Enden gestützt werden. Die Durchschlagsfestigkeit wird auch durch den Zugmodul gemessen, der das Spannungs-Dehnungs-Verhältnis eines PCB-Materials bestimmt und wie gut es in jeder Richtung hält. Der Zugmodul wird oft als Elastizitätsmodul bezeichnet, der von einigen Herstellern anstelle der Biegefestigkeit als Maß für die Belastbarkeit einer Leiterplatte verwendet wird.
• Dichte: Die Dichte eines dielektrischen Materials wird in Gramm pro Kubikzentimeter (g/cc) gemessen. Alternativ kann die PCB-Dichte auch in Pfund pro Kubikzoll (lb/in^3) gemessen werden.
• Zeit bis zur Delaminierung: Die Dauer der Beständigkeit eines dielektrischen Materials gegen delaminierungsverursachende Effekte wird als „Zeit bis zur Delaminierung“ bezeichnet, die bestimmt, wie lange es dauert, bis sich die Schichten einer Leiterplatte voneinander lösen, wenn sie Temperaturen über einem bestimmten Schwellenwert ausgesetzt werden. Ein PCB-Material – sei es Laminat oder Glasfaser – kann auch delaminieren, wenn es Temperaturschocks oder Feuchtigkeit ausgesetzt wird.

Lesen Sie mehr über Flex- und Rigid-Flex-Boards

Material für HDI-Überlegungen

Faktoren wie minderwertige Kupferfolie und Dielektrika können die Mechanismen einer Leiterplatte beeinflussen. Mit der richtigen Auswahl dielektrischer Materialien können Sie verhindern, dass Ihre Leiterplatte fehlerhafte Signale aussendet.

Die molekulare Natur von Dielektrika kann Ihr System anfällig für Verluste machen. Jedes Mal, wenn ein Signal erzeugt wird, werden die Magnetfelder innerhalb der Moleküle in Schwingung versetzt. Die Auswirkungen davon werden durch die Höhe der Signalfrequenz bestimmt. Wenn Vibrationen auftreten, wird Energie zu Wärme und geht folglich im System verloren.

Kupferleiter können auch eine Ursache für Verluste innerhalb eines Systems sein. Wenn Elektronen von der Mitte eines Leiters abweichen, geht die Frequenz nach oben. Beispielsweise erleidet ein Leiter aus vernickeltem Kupfer Verluste, da beträchtliche Strommengen durch das Nickel statt durch das Kupfer fließen. Ein vollständig aus Kupfer bestehender Leiter kann auch Verluste erfahren, wenn Mikrorippen vorhanden sind, da diese den Strom nach oben und unten senden und Widerstand verursachen können.

Weitere Informationen zu HDI-Boards

Welche Funktionen stehen zur Auswahl?

Um Verluste in Ihrem System zu vermeiden, überprüfen Sie Ihre Optionen in den beiden folgenden Kategorien, um sicherzustellen, dass Sie Materialien auswählen, die am besten für hohe Frequenzen geeignet sind:

• Substrat: Im Substrat einer Leiterplatte sind verschiedene Materialien enthalten, wie beispielsweise Epoxid und Glasfasern. Ein Substrat muss eine niedrige Dielektrizitätskonstante haben, um Schaltungen mit hoher Frequenz herzustellen.
• Folie: Es gibt verschiedene Arten von Folien, die auf Kupfer aufgebracht werden können. Wählen Sie ein Kupfer, das den Widerstand am zuverlässigsten minimieren kann.

Minderwertige und nicht übereinstimmende Substrate und Folien können zu kostspieligen Verlusten führen, aber die richtige Wahl kann Ihnen helfen, eine langlebige PCB-Leistung zu erzielen.

Best Practices und weitere Überlegungen

Um das beste Substrat und die beste Folie für Hochfrequenzanwendungen auszuwählen, müssen Sie bestimmte Praktiken beachten:

• Passen Sie die Dielektrizitätskonstanten an: Auf einer Leiterplatte müssen die Dk-Werte der verschiedenen Dielektrizitätskonstanten aufeinander abgestimmt werden. Wenn die Dk widersprechen, werden wahrscheinlich Probleme auftreten. Ein Beispiel für nicht übereinstimmende DKs könnte ein Harz sein, das mit einer gewebten Schicht gepaart ist.
• Match-Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE): Von den Substratqualitäten, die sich auf die Temperatur beziehen, ist der CTE die wichtigste. Wie bei Dk muss der CTE zwischen zwei Substraten übereinstimmen. Andernfalls könnten sich die beiden Substrate mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Konsistenzen ausdehnen. Während des Herstellungsprozesses können unterschiedliche CTEs zu Defekten führen. Wenn die PCB verwendet wird, können sich die kollidierenden CTEs auf die Dk's auswirken.
• Enge Substratbindung: Das Substrat muss eng gewebt sein, damit das Material und das Gewebe richtig zusammenwirken. Wenn nicht, werden die DKs negativ beeinflusst.
• Verwenden Sie FR-4 nicht: Aufgrund seiner geringen Kosten ist FR-4 eine häufige Wahl. Für Schaltungen, die hohe Frequenzen erzeugen, ist FR-4 jedoch ein wenig geeignetes Material.
• Nur glatte Folien verwenden: Um Verluste bei den höchsten Frequenzen zu mindern, verwenden Sie glatte Kupferfolie.
• Verwenden Sie eine leitfähige Folie: Schlechte Leiter können eine dämpfende Wirkung auf den Stromkreis haben. Damit dies nicht passiert, verwenden Sie nur die richtige Leitfolie.

Bei Leiterplatten dreht sich alles um Qualität, die Sie nur mit hochwertigen, gut aufeinander abgestimmten Teilen sicherstellen können. Wenn Sie Kataloge durchsehen und überlegen, welche Leiterplatte Ihren Anforderungen am besten entspricht, sollten Sie auch die folgenden Überlegungen berücksichtigen:

• Kosten: Substrate von guter Qualität können eine beträchtliche Investition sein. Tatsache ist, dass Sie bekommen, wofür Sie bezahlen, wenn es um Leiterplatten geht. Wenn Sie nicht bereit sind, angemessen zu investieren, riskieren Sie viel mehr Verluste, wenn Teile ausfallen.

• Herstellungsfehler: Bei jedem Material, das für den Betrieb bei hohen Frequenzen ausgelegt ist, ist es immer ratsam, es auf mögliche Defekte zu überprüfen, die bei PTFE und bestimmten anderen Materialien üblich sind.

Wenn Sie die richtigen Materialien auswählen, die richtige Menge an Geld investieren und auf Herstellungsfehler prüfen, ist es viel wahrscheinlicher, dass Sie viele Jahre lang ohne Verlust von Ihrer Leiterplatte profitieren.

Kaufen Sie PCBs von Millennium Circuits Limited

Bei Millennium Circuits Limited (MCL) bieten wir erstklassige Leiterplatten. Jede von uns angebotene Leiterplatte hat einen wettbewerbsfähigen Preis und ist perfekt konstruiert. Als Pennsylvanias führender Lieferant von Leiterplatten ist es unsere Mission hier bei MCL, den besten Service für Auftragsvolumen aller Größen zu bieten.

Von unseren bescheidenen Anfängen in einem Keller in Harrisburg, Pennsylvania, bis zu unserem heutigen, geräumigen Hauptsitz haben wir mit unseren fachmännisch hergestellten Leiterplatten Hunderte von Kunden auf der ganzen Welt erreicht. Heute liefern wir PCBs sowohl lokal als auch offshore, was unseren Kunden mehr Flexibilität gibt, wenn sie MCL als ihre PCB-Quelle wählen.

Nach drei aufeinanderfolgenden Jahren, in denen MCL zu den „Top 50 am schnellsten wachsenden Unternehmen in Central PA“ gezählt wurde, wurde MCL 2015 zu den 250 besten Unternehmen des Bundesstaates gezählt – ein erstaunlicher Fortschritt für ein Unternehmen, das erst 10 Jahre zuvor mit der Absicht gegründet wurde, sich zu entwickeln ein führender Anbieter von Leiterplatten. Mit unserer 98-prozentigen Qualitätsbewertung „Ausgezeichnet“ und unserer 99-prozentigen Liefertreue kann das Team hier bei MCL Ihnen den besten Kundenservice bieten. Um mehr über unsere PCBs zu erfahren, klicken Sie auf unsere Produkt- und Serviceseiten und kontaktieren Sie uns noch heute, um mit unseren Vertretern in Kontakt zu treten.

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