Guide de sélection des matériaux PCB

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• Propriétés thermiques
• Propriétés électriques
• Impact de la puissance et de la chaleur sur la sélection des matériaux PCB
• Cartes Flex et Rigid-Flex
• Achetez des PCB auprès de Millennium Circuits Limited

Avec tous les types de matériaux PCB, le but est de conduire l'électricité et de fournir une isolation entre les couches conductrices de cuivre. Le FR-4 est le matériau le plus largement utilisé dans cette catégorie. Cependant, les besoins de votre carte dépendront invariablement des diverses propriétés des matériaux PCB. Lisez le guide de sélection des matériaux PCB suivant pour savoir ce qu'il faut rechercher en ce qui concerne les propriétés thermiques, électriques, chimiques et mécaniques des différents types de matériaux PCB.

Options de matériaux PCB, classifications et considérations sur les propriétés du substrat

Propriétés thermiques

• Température de transition vitreuse (Tg) : Un substrat PCB se ramollit lorsqu'il est exposé à des températures supérieures à un certain seuil. Le substrat durcit à son état naturel une fois retiré de la chaleur. La plage à laquelle cette transformation peut être appliquée à un substrat est connue sous le nom de température de transition vitreuse (Tg) - une unité notée en degrés Celsius.
• Température de décomposition (Td) : Lorsqu'il est exposé à des températures dépassant un certain seuil, un substrat de PCB se décompose. Dans le processus, le PCB perd cinq pour cent ou plus de sa masse globale. La plage de température dans laquelle ce processus se produit est connue sous le nom de température de décomposition (Td), qui est notée en degrés Celsius. Alors que les effets d'une transformation Tg s'auto-inversent une fois que le matériau est retiré de sa température de transition vitreuse, les effets de la température de décomposition sur un substrat sont permanents. En tant que tel, il est préférable d'utiliser un matériau PCB qui peut gérer la plage de température de votre environnement de travail. La température requise pour souder un substrat PCB est généralement comprise entre 200 °C et 250 °C. Idéalement, la Tg doit être inférieure à cette plage et la Td doit être supérieure.
• Coefficient de dilatation thermique (CTE) : Le taux d'expansion d'un PCB est connu sous le nom de CTE. Lorsqu'un substrat est exposé à des températures qui dépassent sa Tg, le matériau subit également une augmentation du CTE, qui est mesuré en parties par million (ppm). Un substrat aura généralement un CTE plus élevé qu'une couche de cuivre. Cette différence est parfois la source de problèmes d'interconnexion lors de l'application de chaleur. En raison des contraintes du verre tissé autour du matériau PCB, le CTE est généralement compris entre 10 et 20 ppm sur les axes X et Y. Même lorsque la température dépasse le seuil Tg, le CTE reste le même. Le CTE doit être maintenu au strict minimum sur l'axe car c'est la direction dans laquelle le matériau va se dilater. Par mesure de sécurité, un CTE de 70 ppm ou moins est recommandé.

• Conductivité thermique (k) : Les propriétés thermoconductrices d'un PCB sont appelées conductivité thermique (k). La conductivité thermique d'un matériau est directement corrélée à la capacité du PCB à transférer la chaleur. Si le niveau k est bas, le niveau de transfert de chaleur le sera aussi, et vice versa. Les taux de conductivité thermique sont mesurés en watts par mètre (W/M) à Kelvin (K). La plage de conductivité thermique pour de nombreux matériaux diélectriques est comprise entre 0,3 et 6 W/mk. En comparaison, le cuivre a un niveau k de 386 W/M. -ºC. Ainsi, la couche de cuivre transporte la chaleur plus rapidement que le diélectrique d'un PCB.

Propriétés électriques

• Constante diélectrique ou permittivité relative (Er ou Dk) : Deux des facteurs les plus importants qui déterminent les performances électriques d'une constante diélectrique sont l'impédance et l'intégrité du signal. La constante diélectrique (Er) ou permittivité relative (Dk) d'un matériau PCB est généralement comprise entre 3,5 et 5,5. Le niveau Er d'un matériau dépend de la fréquence et diminue généralement à mesure que la fréquence augmente. Le niveau Dk change moins sur certains matériaux PCB que sur d'autres. Pour qu'un matériau soit sûr pour les applications impliquant des hautes fréquences, il doit maintenir une constante diélectrique stable sur une large plage de fréquences.

• Tangente de perte diélectrique ou facteur de dissipation (Tan δ ou Df) : Un matériau perd moins de puissance si sa tangente de perte est faible. La tangente de perte diélectrique (Tan δ) des matériaux utilisés dans les cartes de circuits imprimés est généralement comprise entre 0,02 et 0,001. Le premier chiffre s'applique aux matériaux les plus largement utilisés. Cependant, ce dernier chiffre s'applique généralement aux matériaux haut de gamme. Tan δ augmente également avec la fréquence. En ce qui concerne les circuits numériques, la tangente de perte est généralement un facteur d'importance mineure. Les attentes vis-à-vis de cette règle incluraient toute application où le niveau de fréquence dépasse 1 Ghz. La tangente de perte est plus importante pour les signaux analogiques.
• Résistivité volumique (ρ) : La résistance d'un matériau diélectrique à l'isolation ou à l'électricité est appelée résistance volumique (ρ). Un matériau PCB à haute résistivité sera moins susceptible de faciliter les charges électriques. Les ohmmètres (Ω-m) - ainsi que les ohms-centimètres (Ω-cm) - sont utilisés pour mesurer la résistivité d'un diélectrique donné. Comme tous les isolants diélectriques, le matériau d'une carte de circuit imprimé doit avoir une résistivité élevée, de préférence de l'ordre de 10 ³ à 10 ¹⁰ Mégaohm-centimètres. Des facteurs externes tels que la chaleur, le froid et l'humidité peuvent avoir un impact sur la résistivité d'un matériau.
• Résistivité de surface (ρS) : La résistance de surface d'un matériau diélectrique à l'isolation et à l'électricité est appelée résistivité de surface (ρS). Comme pour le niveau ρ d'un matériau, le ρS doit être élevé, de préférence dans la plage de 10 ³ à 10 ⁹ cMégaohms par carré. Comme pour ρ, le niveau ρS d'un matériau peut être affecté par les températures extrêmes et l'humidité.
• Puissance électrique : Dans la direction Z d'une carte de circuit imprimé, la capacité d'un matériau diélectrique à résister à un claquage électrique est appelée résistance électrique, qui est mesurée en Volts/mil. La plupart des matériaux PCB ont une résistance électrique comprise entre 800 V/mil et 1 500 V/mil.

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Impact de la puissance et de la chaleur sur la sélection des matériaux de PCB

Propriétés chimiques

• Spécifications d'inflammabilité (UL94) : Les propriétés ignifuges des plastiques - également connues sous le nom d'inflammabilité des plastiques - sont classées de la plus élevée à la plus faible dans la norme de sécurité de l'inflammabilité des matières plastiques pour les pièces d'appareils et d'appareils (UL94). Les exigences pour les matériaux PCB dans UL94 stipulent que les spécimens ne peuvent pas brûler plus de 10 secondes avec une combustion enflammée. Pour un ensemble de cinq spécimens, les spécimens combinés ne peuvent pas brûler plus de 50 secondes avec une combustion enflammée.
• Absorption d'humidité : Lorsqu'il est immergé dans un liquide, la capacité d'un matériau diélectrique à résister à ce type d'exposition est appelée absorption d'humidité. La majorité des matériaux PCB ont une valeur d'absorption d'humidité comprise entre 0,01 % et 0,20 %. Les propriétés électriques et thermiques d'un diélectrique sont toutes deux influencées par l'absorption d'humidité du matériau.
• Résistance au chlorure de méthylène : La résistance chimique d'un matériau PCB est appelée résistance au chlorure de méthylène (MCR), qui mesure le plus directement la résistance d'un diélectrique à l'absorption de chlorure de méthylène. Les diélectriques ont souvent un MCR compris entre 0,01 % et 0,20 %.

Cartes Flex et Rigid-Flex

Propriétés mécaniques

• Résistance au pelage : La capacité de liaison entre les couches diélectriques et de cuivre dans une carte de circuit imprimé est connue sous le nom de résistance au pelage. Au cours de l'étape de fabrication du PCB, la résistance au pelage est testée sur des traces de cuivre d'une once d'épaisseur dans les trois conditions suivantes :après un stress thermique, à des températures élevées et après une exposition chimique.
• Résistance à la flexion : La capacité d'un matériau diélectrique à supporter des contraintes physiques sans se rompre est appelée résistance à la flexion, qui est mesurée en kilogrammes par mètre carré ou en livres par pouce carré. Pour tester la résistance à la flexion d'une carte de circuit imprimé, une force est appliquée au centre tandis que seules les extrémités sont supportées. La résistance diélectrique est également mesurée par le module de traction, qui détermine le rapport contrainte/déformation d'un matériau PCB et sa tenue dans chaque direction. Le module de traction est souvent appelé module de Young, qui est utilisé à la place de la résistance à la flexion par certains fabricants comme mesure de la capacité d'un PCB à résister aux contraintes.
• Densité : La densité d'un matériau diélectrique est mesurée en grammes par centimètre cube (g/cc). Alternativement, la densité des PCB peut également être mesurée en livres par pouce cube (lb/in^3).
• Délai de délaminage : La durée de la résistance d'un matériau diélectrique aux effets provoquant le délaminage est appelée "temps de délaminage", qui détermine le temps qu'il faudra pour que les couches d'un PCB se détachent les unes des autres lorsqu'elles sont exposées à des températures supérieures à un certain seuil. Un matériau PCB, qu'il s'agisse d'un stratifié ou de fibre de verre, peut également se décoller s'il est exposé à un choc thermique ou à l'humidité.

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Matériel pour les considérations HDI

Des facteurs tels qu'une feuille de cuivre et des diélectriques de mauvaise qualité peuvent avoir un impact sur les mécanismes d'un PCB. Avec la bonne sélection de matériaux diélectriques, vous pouvez empêcher votre circuit imprimé d'envoyer des signaux défectueux.

La nature moléculaire des diélectriques peut rendre votre système vulnérable aux pertes. Chaque fois qu'un signal est généré, les champs magnétiques à l'intérieur des molécules vibrent. Les effets de ceci sont déterminés par la hauteur de la fréquence du signal. Lorsque des vibrations se produisent, l'énergie se transforme en chaleur et est par conséquent perdue dans le système.

Les conducteurs en cuivre peuvent également être une cause de perte au sein d'un système. Lorsque les électrons s'éloignent du centre d'un conducteur, la fréquence monte. Par exemple, un conducteur en cuivre nickelé subira une perte car des quantités importantes de courant traversent le nickel au lieu du cuivre. Un conducteur composé entièrement de cuivre peut également voir une perte si des micro-crêtes sont présentes, car celles-ci peuvent faire monter et descendre le courant et provoquer une résistance.

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Quelles fonctionnalités pouvez-vous choisir ?

Pour éviter toute perte dans votre système, vérifiez vos options dans les deux catégories suivantes pour vous assurer que vous sélectionnez les matériaux les mieux adaptés aux hautes fréquences :

• Substrat : Divers matériaux sont contenus dans le substrat d'une carte de circuit imprimé, tels que l'époxy et les fibres de verre. Un substrat doit avoir une faible constante diélectrique pour produire des circuits à haute fréquence.
• Feuillet : Il existe plusieurs types de feuilles qui peuvent être appliquées sur le cuivre. Sélectionnez un cuivre qui peut minimiser la résistance de la manière la plus fiable.

Des substrats et des feuilles de mauvaise qualité et inadaptés peuvent entraîner des pertes coûteuses, mais les bons choix peuvent vous aider à obtenir des performances de PCB durables.

Meilleures pratiques et considérations supplémentaires

Pour sélectionner le meilleur substrat et film pour les applications à haute fréquence, vous devez garder certaines pratiques à l'esprit :

• Faites correspondre les constantes diélectriques : Sur une carte de circuit imprimé, les Dk des différentes constantes diélectriques doivent être adaptées les unes aux autres. Si les Dk se contredisent, des problèmes surgiront probablement. Un exemple de DK incompatibles pourrait être une résine associée à une couche tissée.
• Coefficient de correspondance de dilatation thermique (CTE) : Parmi les qualités de substrat liées à la température, le CTE est le plus important. Comme avec Dk, le CTE entre deux substrats doit correspondre. Sinon, les deux substrats pourraient se dilater à des vitesses et des consistances différentes. Au cours du processus de fabrication, des CTE différents peuvent entraîner des défauts. Lorsque le PCB est utilisé, les CTE en conflit peuvent avoir un impact sur les Dk.
• Tissage de substrat serré : Le substrat doit être tissé étroitement pour que le matériau et la maille interagissent correctement. Sinon, les DK seront impactés négativement.
• Ne pas utiliser FR-4 : En raison de son faible coût, le FR-4 est un choix courant. Pour les circuits qui génèrent des hautes fréquences, cependant, le FR-4 est un matériau mal adapté.
• Utilisez uniquement des feuilles lisses : Pour atténuer les pertes aux fréquences les plus élevées, utilisez une feuille de cuivre lisse.
• Utilisez une feuille conductrice : De mauvais conducteurs peuvent avoir un effet d'amortissement sur le circuit. Pour vous assurer que cela ne se produise pas, utilisez uniquement la bonne feuille conductrice.

En ce qui concerne les PCB, la performance est une question de qualité, ce que vous ne pouvez garantir qu'avec des pièces de haute qualité et bien assorties. Lorsque vous parcourez les catalogues et que vous réfléchissez au PCB qui répond le mieux à vos besoins, gardez également à l'esprit les considérations suivantes :

• Coût : Des substrats de bonne qualité peuvent représenter un investissement considérable. Le fait est que vous obtenez ce que vous payez quand il s'agit de cartes de circuits imprimés. Si vous n'êtes pas prêt à investir correctement, vous risquez de perdre beaucoup plus en fin de compte en cas de défaillance des pièces.

• Défauts de fabrication : Avec tout matériau conçu pour fonctionner à des fréquences élevées, il est toujours sage de revérifier les éventuels défauts, qui sont courants dans le PTFE et certains autres matériaux.

Lorsque vous sélectionnez les matériaux appropriés, investissez la bonne somme d'argent et vérifiez les défauts de fabrication, vous êtes beaucoup plus susceptible d'obtenir de nombreuses années de performances sans perte de votre carte de circuit imprimé.

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