DFM bei der Auswahl von PCB-Materialien

Jedes Design sollte mit der Auswahl der Materialien beginnen, die im PCB-Stackup erscheinen werden, sowie mit der Anordnung der Schichten im Stackup, um Layout und Routing zu unterstützen. Dieser Abschnitt unseres Crashkurses zur PCB-Herstellung und zum Design for Manufacturing (DFM) konzentriert sich auf die Auswahl der richtigen Materialien für Ihr PCB-Design. Materialien sollten unter Berücksichtigung der spezifischen Designanforderungen ausgewählt werden, die in Ihren Spezifikationen festgelegt sind.

Zur Vereinfachung für den neuen Designer werden wir uns hauptsächlich auf FR-4 konzentrieren, da dies die am häufigsten verwendete Materialklasse für PCB-Designs ist.

Grundlegender Materialauswahlprozess

Bevor Sie Materialien auswählen, ist es wichtig zu beachten, dass Ihr Hersteller diese auf Lager haben muss, bevor Sie sich entscheiden, sie in Ihr Design einzubeziehen. Wenn Ihr Design spezifische Materialtypen erfordert und Sie spezifische Anforderungen an diese in Ihrem PCB-Stackup haben, sollten Sie Ihren Hersteller kontaktieren und prüfen, ob er diese Materialien oder eine kompatible Alternative vorrätig hat. Nicht alle Hersteller führen jedes mögliche Material, und sie haben möglicherweise keinen Prozess, der mit jedem Material kompatibel ist. Darüber hinaus können Sie nicht immer jedes Material nach Belieben in einem Stackup mischen und anpassen. Es ist wichtig, einen Hersteller um Rat zu fragen, um sicherzustellen, dass das Design, das Sie erstellen, mit Standardprozessen herstellbar ist.

Das IPC hat in den Normen IPC-4101 und IPC-4103 Materialkompatibilitätsanforderungen definiert. Diese Normen verlangen von den Laminatherstellern, "Slash Sheets" zu erstellen, die spezifische Materialeigenschaften und Verarbeitungsanforderungen auflisten. Laminathersteller werden ihre Materialien so entwerfen, dass sie einem dieser Slash Sheets entsprechen. Dies ermöglicht es einem Hersteller sofort zu erkennen, wann zwei Materialien kompatibel sind und gegeneinander ausgetauscht werden können.

• Erfahren Sie mehr über IPC Slash Sheets und die IPC-4101/IPC-4103 Normen

Bei der Gestaltung einer PCB gibt es mehrere Materialoptionen zu berücksichtigen, basierend auf Ihren einzigartigen Designanforderungen. Bevor Sie ein Material auswählen, wird empfohlen, zuerst die Funktionalitäts- und Zuverlässigkeitsanforderungen zu definieren, die Ihre Platine erfüllen muss. Sehen Sie das Flussdiagramm unten für einen typischen Materialauswahlprozess.

PCB Materialeigenschaften im Detail

Die relevanten Materialeigenschaften für PCBs fallen in drei Kategorien:

• Elektrisch
• Thermisch
• Mechanisch

Die elektrischen Materialien sind der Bereich, auf den die meisten Designer sich konzentrieren, da sie oft ein spezifisches Impedanzziel (für Hochgeschwindigkeitsdesigns), ein Ziel für Signal- oder Leistungsverlust (für Hochfrequenzdesigns), eine Durchbruchspannung (für Hochspannungsdesigns) oder eine Kombination aus diesen erreichen wollen. Die elektrischen Materialien sind wichtig, aber für DFM-Überlegungen müssen die mechanischen und thermischen Eigenschaften Ihrem Hersteller bekannt sein, damit diese im Fertigungsprozess berücksichtigt werden können.

Das Fertigungswerk, das Ihre geätzte Leiterplatte herstellen wird, muss wissen, wie es Ihre Materialauswahl in ihren Prozess einbinden kann. Wenn Sie Ihre eigenen Materialien auswählen, ist es daher am besten, wenn Sie sich direkt an Ihr Fertigungswerk wenden und sie bitten, Ihren Stackup zu bewerten. Falls sie den Stackup, wie Sie ihn entworfen haben, nicht fertigen können, können sie oft einen alternativen Materialsatz, einen alternativen Stackup vorschlagen, oder sie können oft einen standardisierten Stackup bereitstellen.

• Erfahren Sie mehr darüber, wie Sie Ihre Stackup-Anforderungen an ein Fertigungshaus spezifizieren

Die wichtigsten Eigenschaften, die für elektrische Anforderungen berücksichtigt werden müssen, sind die elektrische Festigkeit,die Dielektrizitätskonstante und die Feuchtigkeitsbeständigkeit. In der folgenden Tabelle finden Sie eine Liste einiger der gängigeren Materialien und ihrer zugehörigen Eigenschaftswerte. Denken Sie daran, Ihren Hersteller zu konsultieren, um spezifischere Daten zu elektrischen Eigenschaften zu erhalten, falls Sie eine spezielle Anforderung wie ein Hochspannungsdesign oder ein Hochfrequenzdesign haben.

Für einige Designs, die eine hohe Zuverlässigkeit erfordern, sind das Härtemittel und der Harzgehalt zwei weitere wichtige Faktoren. Dies gilt insbesondere für Hochspannungsdesigns, die nicht genügend Platz für große Abstände zwischen den Leitern im PCB-Layout haben. Die zwei gängigen Härtemittel, die in PCB-Laminatmaterialien verwendet werden, sind DICY und phenolbasierte Härtemittel. Phenole sind in einem Hochspannungslayout vorzuziehen, da das Härtemittel bekanntermaßen ein starres Material erzeugt, das einer leitfähigen anodischen Filamentbildung (CAF) widerstehen kann. Wenn Sie ein spezielles Design haben, schadet es nicht, die Empfehlung Ihres Herstellers einzuholen, welches Materialsystem zur Gewährleistung der Zuverlässigkeit verwendet werden soll.

Kupferfolientypen

Es gibt mehrere Arten von Kupferfolien, die in Laminaten für gedruckte Schaltungen verwendet werden. Die gebräuchlichste ist eine elektrodeponierte (ED) Kupferfolie, aufgrund ihrer einfachen Herstellung und Anwendung auf einem PCB-Laminat. Die meisten Materialien verwenden diesen Typ von Kupfer. Die Art des Kupfers, die in einem Laminat verwendet wird, ist nicht etwas, das Sie als Designer einfach mit verschiedenen Laminaten mischen und anpassen können. Bei der Auswahl von Laminaten wird dieses Laminat fast immer mit einer einzigen Art von Kupfer geliefert, und Sie werden keine Möglichkeit haben, es durch eine Alternative zu ersetzen.

Eine Ausnahme gibt es bei einigen PTFE-basierten Materialien für Hochfrequenz-PCBs. Die Anbieter dieser Materialien wissen, dass ihre Materialsets im Allgemeinen in Hochfrequenz-Designs verwendet werden, daher bieten sie tendenziell mehrere Optionen mit verschiedenen Arten von Kupfer an. Die andere Standardart von Kupfer, die in diesen Materialien verwendet wird, ist als gewalztes-annealiertes Kupfer (RA) bekannt, obwohl Laminate für Hochfrequenz-PCBs auch oberflächenbehandeltes Kupfer haben könnten, das ein sehr glattes Profil aufweist.

• Erfahren Sie mehr über die Arten von Kupfer in PCB-Laminatmaterialien

Hersteller bieten typischerweise verschiedene Arten von Folien zur Auswahl an, wobei elektrodeponiertes und gewalztes Kupfer am häufigsten sind. Starre Platinen verwenden in der Regel elektrodeponierte Kupferfolie, während starr-flexible Platinen gewalzte Kupferfolie verwenden.

Kupfergewicht

Kupfer wird in einer bestimmten Dicke auf PCB-Laminate aufgebracht, dies wird jedoch oft als Kupfergewicht in oz./sq. ft. angegeben. Typische Kupfergewichtswerte, die in den meisten Leiterplatten zu finden sind, betragen 0,5 oder 1 oz./sq. ft. Wenn ein höheres Kupfergewicht benötigt wird, muss Ihre Leiterplattenfertigungsstätte über Materialien mit dickerem Kupfer verfügen, oder sie muss einen Plattierungsprozess verwenden, der Kupfer bis zur erforderlichen Dicke aufträgt.

Das Kupfergewicht beeinflusst die Herstellung, aber es beeinflusst auch die Gleichgewichtstemperatur der PCB, abhängig von der Menge des Stroms, der von einer Leiterbahn getragen wird. Da Kupferleiterbahnen einen gewissen Gleichstromwiderstand haben, werden sie einen gewissen Leistungsverlust erzeugen, der in Wärme umgewandelt wird. Das Ergebnis ist, dass eine breitere Leiterbahn eine höhere Stromtragfähigkeit haben kann.

Als Beispiel können die beiden untenstehenden Diagramme als Referenz verwendet werden, um die Stromtragfähigkeit interner Schichten für gängige Kupferdicken und Temperaturniveaus über der Umgebungstemperatur zu verstehen. Diese Diagramme gehen von einer Leiterbahn auf einem Standard-FR-4-Grad-Laminat aus, ohne dass sich in der Nähe weiteres Kupfer befindet. Jede Linie im oberen Diagramm entspricht einem Temperaturanstieg über dem Umgebungswert, den man für jedes Paar aus Leiterbahnfläche und Stromwerten entlang der x- und y-Achsen erwarten würde.

Zwei Beispiele werden herausgegriffen, die veranschaulichen, wie man dieses Bild verwendet:

• Rote Kurve: Diese Kurve besagt, dass eine etwa 140 mil breite Leiterbahn aus 1 oz./sq. ft. Kupfer einen Temperaturanstieg von ungefähr 10 Grad erwarten würde, wenn sie 3 A führt.
• Rote Kurve: Diese Kurve besagt, dass eine Leiterbahn, die für einen Strom von 1 A ausgelegt ist, einen Temperaturanstieg von etwa 30 Grad erfahren wird, wenn sie aus 0,5 oz./sq. ft. Kupfer mit einer Leiterbahnbreite von ungefähr 40 mils hergestellt wird.

Es gibt hier etwas Wichtiges zu beachten: Diese Grafiken tendieren dazu, sehr konservativ zu sein und können die Temperatur, die Sie während des Betriebs auf der Platine erwarten würden, überschätzen. Beachten Sie, dass die Platzierung einer Kupferplane unterhalb der relevanten Spur oder ein Kupferfluss um die Spur herum dazu beitragen wird, die Temperatur der Spur und der gesamten Platine zu reduzieren. Dies ist eine von mehreren PCB-Layoutanforderungen, die Ihre Fähigkeit zur Herstellung einer PCB beeinflussen werden.

• Gehen Sie zu Teil 3: DFM in Ihrem PCB-Layout

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