Dobór materiału płytki PCB: wpływ właściwości substratu na działanie PCB

Od początku XV wieku aż po XVII wiek artyści korzystali z metody flamandzkich mistrzów do tworzenia obrazów wiernie ukazujących rzeczywistość. Ten proces rozpoczyna się od wykonania rysunku ołówkiem, węglem lub piórem, po czym nakłada się imprimaturę — czyli pierwszą transparentną warstwę o zabarwieniu oliwkowym. Następnie jest pierwsza brązowawa podmalówka, wygładzanie, druga podmalówka, wygładzanie i podmalówka monochromatyczna.

Każda warstwa podmalówki skupia się na szczegółach i tonacji malowanych przedmiotów i wymaga dużej precyzji. Po nałożeniu tych warstw i dodatkowym wygładzaniu dla uzyskania gładkiej powierzchni artysta pokrywa całe płótno olejem i przechodzi do pierwszej i drugiej warstwy kolorów. Druga warstwa skupia się na szczegółach i teksturze. Dodatkowe czyszczenie przygotowuje grunt pod ostatnią warstwę koloru, która uwypukla najjaśniejsze części obrazu.

Projektanci PCB: inżynierowie układów i geniusze materiałowi

Płytki drukowane lub obwody drukowane w dużej mierze mają wspólne wymogi dotyczące miedzi oraz potrzebę przestrzeni na płytce. Jeśli przymierzasz się do rozpoczęcia projektowania lub jesteś doświadczonym projektantem, to znasz kluczowe problemy procesu projektowania: prowadzenie ścieżek w celu zagospodarowania miedzi, rozmieszczenie podzespołów dla zachowania integralności sygnału i zasilania, a także projektowanie obwodu, który rzeczywiście można wyprodukować, z myślą o maskach lutowniczych i obudowie. 

_{Skąd wiadomo, jak optymalizować projekty w oparciu o materiały?}

Projektowanie płytek PCB wymaga tego samego podejścia, jakie stosowali „starzy mistrzowie”, gdy odtwarzali technikę malarzy flamandzkich. Artysta skupia się na końcowym produkcie, stale myśląc o najmniejszych szczegółach. „Podejście starych mistrzów” do projektowania PCB obejmuje lepsze zrozumienie części płytki oraz wpływ różnych właściwości substratów i przewodników na działanie układu. Na przykład powszechnie stosowane materiały substratu mogą pogarszać działanie PCB przy wysokich częstotliwościach.

Dobór materiału PCB: to, czego nie widać, ma znaczenie

Technika flamandzka kładzie silny nacisk na dobry podkład. Każda warstwa podmalówki dodawała głębi finalnemu dziełu. Pamiętając o podkładzie, należy lepiej rozumieć właściwości termiczne, elektryczne, chemiczne i mechaniczne substratu. Każda z tych właściwości, które zestawiono w pierwszej tabeli, może wchodzić w interakcje z pozostałymi i wpływać na działanie PCB, jednak na różne sposoby.

Tabela pierwsza – Właściwości substratu

Dobranie materiału substratu wpływa na jakość działania obwodu. Na przykład znajomość CTE materiałów substratu nabiera szczególnego znaczenia, ponieważ brak dopasowania CTE dwóch materiałów substratu (lub nawet substratu i podzespołów) może prowadzić do wystąpienia problemów. W substratach o niedopasowanych CTE może dochodzić do usterek wskutek różnych prędkości rozszerzania lub utraty stabilności stałej dielektrycznej substratów. Podczas gdy niektóre podzespoły, takie jak silikonowe chipy pamięci, mają niski współczynnik CTE, laminaty z włókna szklanego charakteryzują się wysokimi wartościami CTE. Różne prędkości rozszerzania mogą prowadzić do pękania połączeń lutowanych lub uszkodzenia podzespołów.

To nie jest dobre połączenie

Artyści stosujący technikę flamandzką wybierają bardzo specyficzne kolory i typy pędzli, aby uzyskać optymalną tonację i głębię. Do błędów dochodzi, gdy artysta nie weźmie pod uwagę sposobu wzajemnego reagowania między olejami, lakierami i farbami. Dobieranie materiałów substratu wymaga takiego samego podejścia. Rozmaite czynniki mogą zmienić impedancję obwodów, zwłaszcza jeśli te obwody pracują z dużymi prędkościami lub wysokimi częstotliwościami. Przykładowo absorpcja wilgoci i przewodność cieplna mogą mieć wpływ na stałą dielektryczną. Płytki PCB z materiałami absorbującymi wilgoć lub podzespołami generującymi ciepło mają wyższą stałą elektryczną, co z kolei wpływa na działanie obwodu przy wysokich częstotliwościach.

Zmiany impedancji lub niedopasowanie impedancji mogą prowadzić do tego, że cyfrowe sygnały o dużej prędkości będą odbijać energię z powrotem do źródła sygnału. Zgodnie z tabelą drugą materiały substratu stosowane do obwodów o wysokiej częstotliwości muszą mieć stałą dielektryczną, która zachowa stabilność w szerokim zakresie częstotliwości. PTFE ma niską stałą dielektryczną, która nie zmienia się w zależności od częstotliwości. Ponieważ PTFE charakteryzuje się wysoką wartością CTE, trzeba zadbać o to, aby pozostałe materiały zastosowane w płytce PCB również miały wysoki współczynnik CTE.

Tabela druga – Właściwości substratu według typu

Inaczej niż PTFE, standardowy substrat FR-4 nie sprawdza się w obwodach o wysokiej częstotliwości. Ponadto stała dielektryczna FR-4 nie zachowuje stabilności przy zmianie temperatury. Jeśli zakres temperatur dla urządzenia wzrośnie, wahania staną się bardziej znaczące i spowodują zmianę impedancji. Dodatkowo mogą one również wpłynąć na zdolność do uzyskania i zachowania płaskiej charakterystyki przy wzroście częstotliwości.
CircuitStudio udostępnia wysokiej jakości rozwiązania ze spójnym, łatwym w obsłudze interfejsem, co pozwala szybko i precyzyjnie projektować płytki PCB niezależnie od materiału substratu, zmian temperatury czy wahań stałej dielektrycznej. Aby dowiedzieć się więcej o przygotowywaniu niezawodnych projektów oraz optymalizacji procesu doboru materiału PCB, porozmawiaj z ekspertem Altium.