Propriétés thermiques importantes des matériaux de substrat de PCB

De nombreux concepteurs ont tendance à se concentrer sur les problèmes potentiels d'intégrité des signaux lors de la sélection des matériaux de substrat pour PCB. Cela est tout à fait compréhensible ; les dispositifs à haute vitesse/fréquence élevée nécessitent de faibles pertes et une dispersion plate dans la bande passante pertinente pour éviter la distorsion du signal, et c'est souvent un point de départ pour la sélection des matériaux de substrat pour PCB. Cependant, les propriétés diélectriques ne racontent pas toute l'histoire de vos matériaux de stratifié.

Vos matériaux de substrat pour PCB possèdent également certaines propriétés thermiques importantes qui devraient être prises en compte lors de la conception. Tous les circuits ne seront pas déployés dans des environnements difficiles, mais ceux qui le sont doivent rester fiables tout au long de leur durée de vie. Les hautes températures, le cyclage thermique répété, l'absorption d'humidité et une basse température de transition vitreuse peuvent créer des problèmes lors de la fabrication et de l'opération. Si vous prêtez attention aux bonnes propriétés thermiques de vos matériaux de substrat, vous pouvez assurer l'intégrité du signal et la fiabilité.

Faites Attention aux Propriétés des Matériaux de Substrat pour PCB

L'intégrité du signal repose sur la constante diélectrique de votre matériau de substrat pour PCB. Le principal problème avec la lecture de ces valeurs sur des fiches techniques est que la valeur citée dépend de la méthode utilisée pour la mesure. Jon Coonrod aborde ce point dans un podcast récent. Cela pose moins de problème avec les propriétés thermiques. Il existe plusieurs propriétés thermiques importantes à considérer lors de la sélection des matériaux de substrat pour PCB.

Conductivité Thermique vs. Résistance Thermique

La conductivité thermique reçoit probablement le plus d'attention parmi toutes les propriétés possibles des matériaux de substrat de PCB (après le tangent de perte, bien sûr). Cela est parfois utilisé de manière interchangeable avec la résistance thermique. Bien que les deux soient liés, ils ne sont pas identiques.

La conductivité thermique est l'analogue thermodynamique de la conductivité électrique. Elle définit le taux auquel la chaleur est transportée le long d'un gradient de température par unité de surface. La résistance thermique de votre substrat de PCB dépend d'une quantité liée, qui est la conductivité thermique effective. La conductivité thermique effective est proportionnelle aux valeurs de conductivité thermique individuelles de chaque matériau (cuivre, âme/préimprégné, résine, etc.) sur la carte. Les fiches techniques indiquent une valeur de conductivité thermique pour un matériau de stratifié nu.

Si vous avez besoin de dissiper rapidement la chaleur des composants, alors vous avez besoin d'une plus grande conductivité thermique. Certaines alternatives au FR4 peuvent fournir une conductivité thermique beaucoup plus élevée. Les céramiques sont un exemple notable, car elles ont des valeurs de conductivité thermique très élevées par rapport aux stratifiés en tissu de verre. Les substrats à âme métallique sont également un excellent choix ; ces matériaux sont typiquement utilisés avec des cartes à LED de haute puissance.

Coefficient de Dilatation Thermique (CDT)

Chaque matériau se dilate ou se contracte lorsque la température change. Les valeurs de CTE définissent combien le volume d'un matériau augmente lorsque sa température augmente. À moins que vous ne travailliez avec de l'eau en dessous de 4 °C, les valeurs de CTE sont toujours positives. Pour le cuivre, le coefficient de dilatation thermique est d'environ 17 ppm/°C, tandis que cette valeur varie pour différents matériaux de substrat, une valeur typique pour le FR4 est de 11 le long de la surface de la carte et de 15 perpendiculairement à la surface de la carte. D'autres matériaux, tels que les céramiques, peuvent avoir une large gamme de valeurs de CTE. Par exemple, le nitrure d'aluminium est très utile pour sa haute conductivité thermique, mais la valeur de CTE est assez faible (de 4,3 à 5,8 ppm/°C).

Le CTE est important tant à haute température que lorsque la température de la carte est cyclée de manière répétée entre des valeurs hautes et basses. Pendant le cyclage, la carte va se dilater et se contracter, ce qui place une contrainte sur les éléments en cuivre, et cette contrainte est plus grande lorsque la discordance entre les valeurs de CTE du substrat et du cuivre est plus grande. Les valeurs de CTE pour vos conducteurs et matériaux de substrat devraient correspondre aussi étroitement que possible.

Pour les vias à faible rapport d'aspect et les pistes raisonnablement épaisses, un désaccord de CTE n'est pas un tel problème. Cependant, les vias à haut rapport d'aspect subiront une concentration de contrainte au milieu du cylindre et au col, nécessitant un placage ou un remplissage plus épais pour assurer un chemin conducteur si un via se fissure. Dans les cartes HDI, l'accumulation répétée de contraintes due au cyclage est connue pour entraîner des fissures au niveau des cols des vias.

Température de Transition Vitreuse (Tg)

Cette quantité est liée au CTE. La valeur du CTE de tout matériel augmente généralement avec la température. Les transitions vitreuses ont tendance à se produire dans les matériaux amorphes ; une fois que la température d'un matériau dépasse sa température de transition vitreuse, la pente de la courbe CTE vs température du matériau connaît une forte augmentation. Cela signifie que le matériau subit une expansion plus grande avec les changements de température lorsque la température dépasse Tg.

Dans les matériaux de substrat à tissage de verre, une manière d'augmenter la plage des valeurs de température utiles et d'éviter une transition vitreuse est d'utiliser un substrat avec une résine à haute température de transition vitreuse (Tg). Le FR4 standard a une valeur de Tg d'environ 130 °C, mais un substrat avec une résine à haute Tg peut porter cette valeur jusqu'à environ 170 °C. Si les valeurs de CTE de votre substrat et de votre conducteur étaient étroitement assorties à basse température, et que votre carte doit fonctionner à haute température, alors vous devriez opter pour un substrat avec une valeur de Tg plus élevée.

La plupart des cartes ne fonctionneront probablement pas au-dessus de la valeur Tg standard d'environ 130 °C. Ce qui est plus important, c'est la stabilité du CTE en fonction de la température, car une valeur de CTE excessive à haute température crée plus de stress sur les conducteurs minces. Si votre carte doit être fréquemment soumise à des températures élevées, je choisirais une valeur de CTE plus stable qui est proche de la valeur de CTE du conducteur.

Vos conceptions sont un exercice d'équilibre

Aussi bien que nous le voudrions, aucun design ne répondra à toutes les exigences d'intégrité de signal et de gestion thermique, et des compromis doivent être faits. En ce qui concerne les propriétés thermiques, le cyclage répété jusqu'à une haute température peut devoir être priorisé par rapport à la tangente de perte et la constante diélectrique dans certains circuits imprimés. Si vous ne travaillez pas à haute vitesse, haute fréquence ou haute tension, vous voudrez peut-être moins vous concentrer sur les propriétés diélectriques et davantage sur les propriétés thermiques pour garantir la fiabilité.

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