Guia de Seleção de Material PCB

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Com todos os tipos de material de PCB, o objetivo é conduzir eletricidade e fornecer isolamento entre camadas condutoras de cobre. O FR-4 é o material mais utilizado nesta categoria. No entanto, as necessidades de sua placa invariavelmente dependem de várias propriedades do material da PCB. Leia o seguinte guia de seleção de material de PCB para saber o que procurar quando se trata de propriedades térmicas, elétricas, químicas e mecânicas de diferentes tipos de material de PCB.

Opções de material de PCB, classificações e considerações de propriedade de substrato

Propriedades Térmicas

• Temperatura de transição vítrea (Tg): Um substrato de PCB amolece quando exposto a temperaturas acima de um determinado limite. O substrato endurece de volta ao seu estado natural uma vez removido do calor. A faixa na qual essa transformação pode ser aplicada a um substrato é conhecida como temperatura de transição vítrea (Tg) — uma unidade observada em graus Celsius.
• Temperatura de decomposição (Td): Quando exposto a temperaturas além de um certo limite, um substrato de PCB se decompõe. No processo, o PCB perde cinco por cento ou mais de sua massa total. A faixa de temperatura na qual esse processo ocorre é conhecida como temperatura de decomposição (Td), que é anotada em graus Celsius. Enquanto os efeitos de uma transformação de Tg se invertem uma vez que o material é removido de sua temperatura de transição vítrea, os efeitos da temperatura de decomposição em um substrato são permanentes. Como tal, é melhor usar um material de PCB que possa lidar com a faixa de temperatura do seu ambiente de trabalho. A temperatura necessária para soldar um substrato de PCB é geralmente entre 200°C e 250°C. Idealmente, a Tg deve estar abaixo dessa faixa e a Td deve ser maior.
• Coeficiente de expansão térmica (CTE): A taxa de expansão de um PCB é conhecida como CTE. Quando um substrato é exposto a temperaturas que excedem sua Tg, o material também sofrerá um aumento no CTE, que é medido em partes por milhão (ppm). Um substrato geralmente terá um CTE mais alto do que uma camada de cobre. Essa diferença às vezes é a fonte de problemas de interconexão quando o calor é aplicado. Devido às restrições do vidro tecido em torno do material PCB, o CTE está normalmente na faixa de 10 a 20 ppm nos eixos X e Y. Mesmo quando a temperatura ultrapassa o limite de Tg, o CTE permanece o mesmo. O CTE deve ser mantido no mínimo ao longo do eixo porque esta é a direção na qual o material se expandirá. Para garantir a segurança, é recomendado um CTE de 70 ppm ou menos.

• Condutividade térmica (k): As propriedades condutoras de calor de um PCB são referidas como condutividade térmica (k). A condutividade térmica de um material se correlaciona diretamente com a capacidade do PCB de transferir calor. Se o nível k for baixo, também será o nível de transferência de calor e vice-versa. As taxas de condutividade térmica são medidas em watts por metro (W/M) em Kelvin (K). A faixa de condutividade térmica para muitos materiais dielétricos está entre 0,3 e 6 W/mk Em comparação, o cobre tem um nível k de 386 W/M -ºC. Como tal, a camada de cobre transporta o calor mais rápido do que o dielétrico em um PCB.

Propriedades elétricas

• Constante Dielétrica ou Permissividade Relativa (Er ou Dk): Dois dos fatores mais importantes que determinam o desempenho elétrico de uma constante dielétrica são a impedância e a integridade do sinal. A constante dielétrica (Er) ou permissividade relativa (Dk) de um material PCB é geralmente entre 3,5 e 5,5. O nível de Er de um material depende da frequência e geralmente diminui à medida que a frequência aumenta. O nível Dk muda menos em certos materiais PCB do que em outros. Para que um material seja seguro para aplicações que envolvem altas frequências, ele deve manter uma constante dielétrica estável em uma ampla faixa de frequências.

• Tangente de Perda Dielétrica ou Fator de Dissipação (Tan δ ou Df): Um material perde menos energia se sua tangente de perda for baixa. A tangente de perda dielétrica (Tan δ) de materiais usados ​​em placas de circuito impresso está geralmente na faixa de 0,02 a 0,001. A primeira figura aplica-se aos materiais mais amplamente utilizados. No entanto, o último número geralmente se aplica a materiais de alta qualidade. Tan δ também aumenta com a frequência. Quando se trata de circuitos digitais, a tangente de perda geralmente é um fator de menor importância. As expectativas para esta regra incluem qualquer aplicação em que o nível de frequência exceda 1Ghz. A tangente de perda é mais importante para sinais analógicos.
• Resistividade do Volume (ρ): A resistência de um material dielétrico ao isolamento ou eletricidade é conhecida como sua resistência de volume (ρ). O material PCB com alta resistividade terá menos probabilidade de facilitar as cargas elétricas. Ohm-metros (Ω-m) — assim como ohm-centímetros (Ω-cm) — são usados ​​para medir a resistividade de um dado dielétrico. Como todos os isoladores dielétricos, o material em uma placa de circuito impresso deve ter alta resistividade, preferencialmente na faixa de 10 ³ a 10 ¹⁰ Megaohm-centímetros. Fatores externos como calor, frio e umidade podem afetar a resistividade de um material.
• Resistividade de superfície (ρS): A resistência superficial de um material dielétrico ao isolamento e à eletricidade é chamada de resistividade superficial (ρS). Assim como o nível ρ de um material, o ρS deve ser alto, preferencialmente na faixa de 10 ³ a 10 ⁹ cMegaohms por quadrado. Assim como com ρ, o nível de ρS de um material pode ser afetado por temperaturas extremas e umidade.
• Força elétrica: Na direção Z de uma placa de circuito impresso, a capacidade de um material dielétrico de resistir a uma ruptura elétrica é chamada de força elétrica, medida em Volts/mil. A maioria dos materiais de PCB tem uma resistência elétrica entre 800 V/mil e 1500 V/mil.

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Impacto de energia e calor na seleção de material de PCB

Propriedades Químicas

• Especificações de inflamabilidade (UL94): As propriedades retardantes de chama dos plásticos - também conhecidas como inflamabilidade dos plásticos - são classificadas do mais alto ao mais baixo no Padrão de Segurança de Inflamabilidade de Materiais Plásticos para Peças em Dispositivos e Aparelhos (UL94). Os requisitos para materiais PCB na UL94 afirmam que as amostras não podem queimar por mais de 10 segundos com combustão flamejante. Para um conjunto de cinco amostras, as amostras combinadas não podem queimar por mais de 50 segundos com combustão flamejante.
• Absorção de umidade: Quando submerso em líquido, a capacidade de um material dielétrico de suportar esse tipo de exposição é chamada de absorção de umidade. A maioria dos materiais PCB tem um valor de absorção de umidade entre 0,01% e 0,20%. As propriedades elétricas e térmicas de um dielétrico são influenciadas pela absorção de umidade do material.
• Resistência ao cloreto de metileno: A resistência química de um material PCB é referida como resistência ao cloreto de metileno (MCR), que mede mais diretamente a resistência de um dielétrico à absorção de cloreto de metileno. Os dielétricos geralmente têm um MCR entre 0,01% e 0,20%.

Placas flexíveis e rígidas-flexíveis

Propriedades mecânicas

• Força do peeling: A capacidade de ligação entre as camadas dielétricas e de cobre em uma placa de circuito impresso é conhecida como força de descascamento. Durante a fase de fabricação do PCB, a resistência ao descascamento é testada em traços de cobre de uma onça de espessura sob as três condições a seguir:após estresse térmico, em altas temperaturas e após exposição a produtos químicos.
• Força Flexural: A capacidade de um material dielétrico de suportar estresse físico sem quebrar é chamada de resistência à flexão, que é medida em quilogramas por metro quadrado ou libras por polegada quadrada. Para testar a resistência à flexão de uma placa de circuito impresso, a força é aplicada no centro enquanto apenas as extremidades são suportadas. A rigidez dielétrica também é medida pelo módulo de tração, que determina a relação tensão/deformação de um material PCB e quão bem ele se mantém em cada direção. O módulo de tração é frequentemente chamado de módulo de Young, que é usado no lugar da resistência à flexão por alguns fabricantes como medida da capacidade de um PCB de resistir ao estresse.
• Densidade: A densidade de um material dielétrico é medida em gramas por centímetro cúbico (g/cc). Como alternativa, a densidade do PCB também pode ser medida em libras por polegada cúbica (lb/in^3).
• Tempo para delaminação: A duração da resistência de um material dielétrico aos efeitos causadores de delaminação é chamada de “tempo para delaminação”, que determina quanto tempo levará para que as camadas de um PCB se desfaçam umas das outras quando expostas a temperaturas além de um determinado limite. Um material de PCB, seja laminado ou fibra de vidro, também pode delaminar se exposto a choque térmico ou umidade.

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Material para Considerações de IDH

Fatores como folha de cobre de baixa qualidade e dielétricos podem afetar os mecanismos de um PCB. Com a seleção adequada de materiais dielétricos, você pode evitar que sua placa de circuito envie sinais defeituosos.

A natureza molecular dos dielétricos pode tornar seu sistema vulnerável a perdas. Cada vez que um sinal é gerado, os campos magnéticos dentro das moléculas vibram. Os efeitos disso são determinados pela altura da frequência do sinal. Quando ocorrem vibrações, a energia se transforma em calor e, consequentemente, é perdida no sistema.

Condutores de cobre também podem ser uma causa de perda dentro de um sistema. Quando os elétrons se afastam do centro de um condutor, a frequência sobe. Por exemplo, um condutor de cobre com acabamento em níquel verá a perda como quantidades significativas de fluxo de corrente através do níquel em vez do cobre. Um condutor composto inteiramente de cobre também pode sofrer perdas se houver micro cristas, pois elas podem enviar a corrente para cima e para baixo e causar resistência.

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Quais recursos você pode escolher?

Para evitar perdas em seu sistema, verifique suas opções em ambas as categorias a seguir para garantir que você selecione os materiais mais adequados para altas frequências:

• Substrato: Vários materiais estão contidos no substrato de uma placa de circuito impresso, como epóxi e fibras de vidro. Um substrato deve ter uma constante dielétrica baixa para produzir circuitos de alta frequência.
• Folha: Existem vários tipos diferentes de folhas que podem ser aplicadas ao cobre. Selecione um cobre que possa minimizar a resistência de forma mais confiável.

Substratos e lâminas de baixa qualidade e incompatíveis podem levar a perdas dispendiosas, mas as escolhas certas podem ajudá-lo a obter um desempenho de PCB duradouro.

Práticas recomendadas e considerações adicionais

Para selecionar o melhor substrato e folha para aplicações de alta frequência, você precisa ter em mente algumas práticas:

• Faça a correspondência das constantes dielétricas: Em uma placa de circuito impresso, os Dk's das diferentes constantes dielétricas precisam ser combinados entre si. Se os Dk contradizem, provavelmente ocorrerão problemas. Um exemplo de DKs incompatíveis pode ser uma resina combinada com uma camada de tecido.
• Coeficiente de correspondência de expansão térmica (CTE): Das qualidades do substrato relacionadas à temperatura, a CTE é a mais importante. Assim como no Dk, o CTE entre dois substratos deve corresponder. Caso contrário, os dois substratos podem se expandir em velocidades e consistências diferentes. Durante o processo de fabricação, diferentes CTEs podem resultar em defeitos. Quando o PCB está em uso, os CTEs conflitantes podem afetar os Dks.
• Tecido de substrato apertado: O substrato deve ser tecido firmemente para que o material e a malha interajam adequadamente. Caso contrário, os DKs serão impactados negativamente.
• Não use FR-4: Devido ao seu baixo custo, o FR-4 é uma escolha comum. No entanto, para circuitos que geram altas frequências, o FR-4 é um material inadequado.
• Use apenas folhas lisas: Para mitigar as perdas nas frequências mais altas, use folha de cobre lisa.
• Use uma película condutora: Maus condutores podem ter um efeito de amortecimento no circuito. Para garantir que isso não aconteça, use apenas a folha condutora correta.

Quando se trata de PCBs, o desempenho tem tudo a ver com qualidade, que você só pode garantir com peças de alta qualidade e bem combinadas. Ao examinar os catálogos e considerar qual PCB pode atender melhor às suas necessidades, lembre-se também das seguintes considerações:

• Custo: Substratos de boa qualidade podem ser um investimento considerável. O fato é que você recebe o que paga quando se trata de placas de circuito impresso. Se você não estiver disposto a investir adequadamente, poderá perder muito mais à medida que as peças falham.

• Defeitos de fabricação: Com qualquer material projetado para operar em altas frequências, é sempre aconselhável verificar novamente possíveis defeitos, que são comuns em PTFE e alguns outros materiais.

Quando você seleciona os materiais adequados, investe a quantia certa de dinheiro e verifica defeitos de fabricação, é muito mais provável que você obtenha muitos anos de desempenho sem perda de sua placa de circuito impresso.

Compre PCBs da Millennium Circuits Limited

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