Wichtige thermische Eigenschaften von PCB-Substratmaterialien

Viele Designer konzentrieren sich bei der Auswahl von PCB-Substratmaterialien oft auf potenzielle Probleme mit der Signalintegrität. Das ist durchaus verständlich; Geräte mit hoher Geschwindigkeit/Hoher Frequenz erfordern geringe Verluste und eine flache Dispersion innerhalb der relevanten Bandbreite, um Signalverzerrungen zu verhindern, und dies ist oft ein Ausgangspunkt für die Auswahl von PCB-Substratmaterialien. Die dielektrischen Eigenschaften erzählen jedoch nicht die ganze Geschichte Ihrer Laminatmaterialien.

Ihre PCB-Substratmaterialien haben auch einige wichtige thermische Eigenschaften, die während des Designs berücksichtigt werden sollten. Nicht alle Platinen werden in rauen Umgebungen eingesetzt, aber diejenigen, die es werden, müssen während ihrer gesamten Lebensdauer zuverlässig bleiben. Hohe Temperaturen, wiederholte thermische Zyklen, Feuchtigkeitsaufnahme und eine niedrige Glasübergangstemperatur können während der Herstellung und des Betriebs Probleme verursachen. Wenn Sie auf die richtigen thermischen Eigenschaften Ihrer Substratmaterialien achten, können Sie die Signalintegrität und Zuverlässigkeit sicherstellen.

Achten Sie auf die Eigenschaften von PCB-Substratmaterialien

Die Signalintegrität hängt von der dielektrischen Konstante Ihres PCB-Substratmaterials ab. Das Hauptproblem beim Ablesen dieser Werte aus Datenblättern ist, dass der angegebene Wert von der Messmethode abhängt. Jon Coonrod diskutiert diesen Punkt in einem kürzlichen Podcast. Dies ist bei thermischen Eigenschaften weniger ein Problem. Es gibt mehrere wichtige thermische Eigenschaften, die bei der Auswahl von PCB-Substratmaterialien berücksichtigt werden sollten.

Wärmeleitfähigkeit vs. Wärmewiderstand

Die Wärmeleitfähigkeit erhält wahrscheinlich die meiste Aufmerksamkeit unter allen möglichen Eigenschaften von PCB-Substratmaterialien (nach dem Verlustwinkel, natürlich). Manchmal wird sie austauschbar mit dem Wärmewiderstand verwendet. Obwohl die beiden zusammenhängen, sind sie nicht dasselbe.

Die Wärmeleitfähigkeit ist das thermodynamische Analogon zur elektrischen Leitfähigkeit. Sie definiert die Rate, mit der Wärme entlang eines Temperaturgradienten pro Flächeneinheit transportiert wird. Der Wärmewiderstand Ihres PCB-Substrats hängt von einer verwandten Größe ab, welche die effektive Wärmeleitfähigkeit ist. Die effektive Wärmeleitfähigkeit ist proportional zu den individuellen Wärmeleitfähigkeitswerten jedes Materials (Kupfer, Kern/Prepreg, Harz usw.) auf der Platine. Datenblätter geben einen Wert für die Wärmeleitfähigkeit eines nackten Laminatmaterials an.

Wenn Sie Wärme schnell von Komponenten ableiten müssen, dann benötigen Sie eine größere Wärmeleitfähigkeit. Einige Alternativen zu FR4 können eine viel höhere Wärmeleitfähigkeit bieten. Keramiken sind ein bemerkenswertes Beispiel, da sie im Vergleich zu Glasgewebe-Laminaten sehr hohe Wärmeleitfähigkeitswerte haben. Metallkern-Substrate sind ebenfalls eine ausgezeichnete Wahl; diese Materialien werden typischerweise bei Hochleistungs-LED-Platinen verwendet.

Ausdehnungskoeffizient (CTE)

Jedes Material dehnt sich aus oder zieht sich zusammen, wenn sich die Temperatur ändert. CTE-Werte definieren, wie sehr das Volumen eines Materials zunimmt, wenn seine Temperatur steigt. Es sei denn, man arbeitet mit Wasser unter 4 °C, sind CTE-Werte immer positiv. Für Kupfer liegt der thermische Ausdehnungskoeffizient bei ~17 ppm/°C, während dieser Wert für verschiedene Substratmaterialien variiert. Ein typischer Wert für FR4 liegt bei 11 entlang der Oberfläche der Platine und 15 senkrecht zur Oberfläche der Platine. Andere Materialien, wie Keramiken, können eine breite Palette von CTE-Werten aufweisen. Als Beispiel ist Aluminiumnitrid sehr nützlich für seine hohe Wärmeleitfähigkeit, aber der CTE-Wert ist ziemlich niedrig (von 4,3 bis 5,8 ppm/°C).

CTE ist sowohl bei hoher Temperatur als auch wichtig, wenn die Temperatur der Platine wiederholt zwischen hohen und niedrigen Werten zyklisch wechselt. Während des Zyklus wird sich die Platine ausdehnen und zusammenziehen, was Stress auf die Kupferelemente ausübt, und dieser Stress ist größer, wenn die Diskrepanz zwischen den CTE-Werten des Substrats und des Kupfers größer ist. Die CTE-Werte für Ihre Leiter und Substratmaterialien sollten so eng wie möglich übereinstimmen.

Für Vias mit niedrigem Aspektverhältnis und angemessen dicken Leiterbahnen ist eine CTE-Unstimmigkeit nicht so problematisch. Jedoch werden Vias mit hohem Aspektverhältnis eine Spannungskonzentration in der Mitte des Zylinders und am Hals erfahren, was eine dickere Beschichtung oder Füllung erfordert, um einen leitfähigen Pfad zu gewährleisten, falls ein Via reißt. Bei HDI-Platinen ist bekannt, dass wiederholte Spannungsakkumulation aufgrund von Zyklen zu Rissen an Via-Hälsen führt.

Glasübergangstemperatur (Tg)

Diese Größe steht im Zusammenhang mit CTE. Der CTE-Wert eines Materials steigt im Allgemeinen mit der Temperatur. Glasübergänge neigen dazu, in amorphen Materialien aufzutreten; sobald die Temperatur eines Materials seine Glasübergangstemperatur überschreitet, erfährt die Steigung der CTE- vs. Temperaturkurve einen steilen Anstieg. Das bedeutet, dass das Material eine größere Ausdehnung mit Temperaturänderungen erfährt, wenn die Temperatur Tg überschreitet.

In Glasgewebe-Substratmaterialien ist eine Möglichkeit, den Bereich nützlicher Temperaturwerte zu erhöhen und einen Glasübergang zu vermeiden, die Verwendung eines Substrats mit einem Hoch-Tg-Harz. Standard FR4 hat einen Tg-Wert von ~130 °C, aber ein Substrat mit einem Hoch-Tg-Harz kann den Tg-Wert auf bis zu ~170 °C erhöhen. Wenn Ihre Substrat- und Leiter-CTE-Werte bei niedriger Temperatur eng abgestimmt waren und Ihre Platine bei hohen Temperaturen betrieben wird, dann sollten Sie sich für ein Substrat mit einem höheren Tg-Wert entscheiden.

Die meisten Platinen werden wahrscheinlich nicht über den Standard-Tg-Wert von ~130 °C hinaus betrieben. Wichtiger ist die Stabilität des CTE als Funktion der Temperatur, da ein übermäßiger CTE-Wert bei hoher Temperatur mehr Stress auf dünne Leiter ausübt. Wenn Ihre Platine häufig auf hohe Temperaturen zyklisiert wird, würde ich mich für einen stabileren CTE-Wert entscheiden, der nahe am Leiter-CTE-Wert liegt.

Ihre Entwürfe sind ein Balanceakt

So sehr wir es auch möchten, kein Design wird alle Anforderungen an die Signalintegrität und das thermische Management erfüllen, und Kompromisse müssen gemacht werden. Wenn es um thermische Eigenschaften geht, könnte das wiederholte Hochfahren auf hohe Temperaturen Vorrang vor Verlustwinkel und Dielektrizitätskonstante bei einigen Platinen haben. Wenn Sie nicht mit hoher Geschwindigkeit, hoher Frequenz oder hoher Spannung arbeiten, möchten Sie vielleicht weniger auf dielektrische Eigenschaften achten und mehr auf thermische Eigenschaften, um die Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

Die hochwertigen Design-Tools in Altium Designer® umfassen eine umfangreiche Materialbibliothek für den Stackup mit Standardwerten für die hier vorgestellten thermischen Eigenschaften sowie dielektrische Eigenschaften. Diese Daten können leicht in die Vor-Layout- und Nach-Layout-Simulationswerkzeuge in Altium Designer eingebracht werden, was Ihnen die Möglichkeit gibt, Ihre Strategie zur thermischen Verwaltung schnell zu analysieren. Sie haben auch Zugang zu einer breiten Palette von Werkzeugen zur Verwaltung von Komponentendaten und zur Vorbereitung auf die Produktion.

Wenn Sie Ihr Design abgeschlossen haben und Dateien an Ihren Hersteller freigeben möchten, erleichtert die Altium 365™ Plattform die Zusammenarbeit und das Teilen Ihrer Projekte. Wir haben nur an der Oberfläche dessen gekratzt, was mit Altium Designer auf Altium 365 möglich ist. Sie können die Produktseite für eine detailliertere Beschreibung der Funktionen oder eines der On-Demand Webinare überprüfen.