Proprietà Termiche Importanti dei Materiali del Substrato delle PCB

Molti progettisti tendono a concentrarsi sui potenziali problemi di integrità del segnale quando selezionano i materiali del substrato PCB. Questo è comprensibile; dispositivi ad alta velocità/alta frequenza richiedono basse perdite e dispersione piatta all'interno della banda di frequenza rilevante per prevenire distorsioni del segnale, e questo è spesso un punto di partenza per la selezione dei materiali del substrato PCB. Tuttavia, le proprietà dielettriche non raccontano tutta la storia dei vostri materiali laminati.

I vostri materiali del substrato PCB hanno anche alcune importanti proprietà termiche che dovrebbero essere considerate durante la progettazione. Non tutte le schede saranno impiegate in ambienti ostili, ma quelle che lo sono devono rimanere affidabili per tutta la loro vita utile. Alte temperature, cicli termici ripetuti, assorbimento di umidità e una bassa temperatura di transizione vetrosa possono creare problemi durante la fabbricazione e il funzionamento. Se presti attenzione alle giuste proprietà termiche dei tuoi materiali di substrato, puoi garantire l'integrità del segnale e l'affidabilità.

Presta Attenzione alle Proprietà dei Materiali del Substrato PCB

L'integrità del segnale si basa sulla costante dielettrica del tuo materiale del substrato PCB. Il problema principale con la lettura di questi valori dai fogli dati è che il valore citato dipende dal metodo utilizzato per la misurazione. Jon Coonrod discute questo punto in un recente podcast. Questo è meno un problema con le proprietà termiche. Ci sono diverse importanti proprietà termiche da considerare quando si selezionano i materiali del substrato PCB.

Conducibilità Termica vs. Resistenza Termica

La conducibilità termica probabilmente riceve la maggior parte dell'attenzione tra tutte le possibili proprietà dei materiali del substrato delle PCB (dopo il tangente di perdita, ovviamente). Questa viene talvolta usata in modo interscambiabile con la resistenza termica. Sebbene i due termini siano correlati, non sono la stessa cosa.

La conducibilità termica è l'analogo termodinamico della conducibilità elettrica. Definisce il tasso al quale il calore viene trasportato lungo un gradiente di temperatura per unità di area. La resistenza termica del substrato della tua PCB dipende da una quantità correlata, che è la conducibilità termica effettiva. La conducibilità termica effettiva è proporzionale ai valori individuali di conducibilità termica di ciascun materiale (rame, nucleo/prepreg, resina, ecc.) sulla scheda. I datasheet forniscono un valore di conducibilità termica per un materiale laminato nudo.

Se hai bisogno di dissipare rapidamente il calore dai componenti, allora hai bisogno di una maggiore conducibilità termica. Alcune alternative al FR4 possono fornire una conducibilità termica molto più elevata. La ceramica è un esempio notevole, poiché ha valori di conducibilità termica molto alti rispetto ai laminati in tessuto di vetro. I substrati a nucleo metallico sono anche un'eccellente scelta; questi materiali sono tipicamente usati con schede LED ad alta potenza.

Coefficiente di Espansione Termica (CTE)

Ogni materiale si espande o si contrae al variare della temperatura. I valori del CTE definiscono quanto aumenta il volume di un materiale quando la sua temperatura aumenta. A meno che non si lavori con l'acqua al di sotto dei 4 °C, i valori del CTE sono sempre positivi. Per il rame, il coefficiente di espansione termica è di circa 17 ppm/°C, mentre questo valore varia per diversi materiali di substrato, un valore tipico per l'FR4 è 11 lungo la superficie della scheda e 15 perpendicolare alla superficie della scheda. Altri materiali, come le ceramiche, possono avere un ampio intervallo di valori del CTE. Ad esempio, il nitrato di alluminio è molto utile per la sua alta conducibilità termica, ma il valore del CTE è piuttosto basso (da 4,3 a 5,8 ppm/°C).

Il CTE è importante sia ad alta temperatura sia quando la temperatura della scheda viene ciclicamente variata tra valori alti e bassi. Durante il ciclismo, la scheda si espanderà e si contrarrà, il che pone stress sugli elementi in rame, e questo stress è maggiore quando la discrepanza tra i valori del CTE del substrato e del rame è maggiore. I valori del CTE per i vostri conduttori e materiali di substrato dovrebbero corrispondere il più possibile.

Per le vie con un basso rapporto d'aspetto e tracce ragionevolmente spesse, una discrepanza nel CTE non rappresenta un problema così grande. Tuttavia, le vie con un alto rapporto d'aspetto sperimentano una concentrazione di stress nel mezzo del cilindro e al collo, richiedendo una placcatura o riempimento più spesso per garantire un percorso conduttivo se una via si incrina. Nei circuiti HDI, l'accumulo ripetuto di stress dovuto al ciclismo è noto per portare a incrinature ai colli delle vie.

Temperatura di Transizione Vetrosa (Tg)

Questa quantità è correlata al CTE. Il valore del CTE di qualsiasi materiale generalmente aumenta con la temperatura. Le transizioni vetrose tendono a verificarsi in materiali amorfi; una volta che la temperatura di un materiale supera la sua temperatura di transizione vetrosa, la pendenza della curva CTE vs. temperatura del materiale sperimenta un forte aumento. Questo significa che il materiale sperimenta una maggiore espansione con i cambiamenti di temperatura quando la temperatura supera Tg.

Nei materiali di substrato in tessuto di vetro, un modo per aumentare la gamma dei valori di temperatura utili ed evitare una transizione vetrosa è utilizzare un substrato con una resina ad alto Tg. Il FR4 standard ha un valore di Tg di circa 130 °C, ma un substrato con una resina ad alto Tg può portare il valore di Tg fino a circa 170 °C. Se i valori di CTE del tuo substrato e del conduttore erano strettamente abbinati a bassa temperatura, e la tua scheda opererà ad alte temperature, allora dovresti optare per un substrato con un valore di Tg più alto.

La maggior parte delle schede probabilmente non funzionerà al di sopra del valore standard di Tg di circa 130 °C. Ciò che è più importante è la stabilità del CTE in funzione della temperatura, poiché un valore di CTE eccessivo ad alta temperatura crea più stress sui conduttori sottili. Se la tua scheda sarà frequentemente ciclata ad alte temperature, opterei per un valore di CTE più stabile che sia vicino al valore di CTE del conduttore.

I tuoi progetti sono un atto di equilibrio

Per quanto ci piacerebbe, nessun progetto soddisferà ogni requisito di integrità del segnale e di gestione termica, e saranno necessari dei compromessi. Quando si tratta di proprietà termiche, il ciclismo ripetuto fino ad alte temperature potrebbe dover avere la priorità sulla tangente di perdita e sulla costante dielettrica in alcune schede. Se non stai lavorando ad alta velocità, alta frequenza o alta tensione, potresti voler concentrarti meno sulle proprietà dielettriche e più sulle proprietà termiche per garantire l'affidabilità.

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