Comparação das Propriedades dos Materiais de PCB para Design de Alta Velocidade e Placas HDI

Qualquer PCB utiliza uma variedade de materiais para criar um empilhamento de camadas, gravar cobre, aplicar máscara de solda e imprimir serigrafia. Cada material dielétrico que você usa para criar o empilhamento de camadas do seu PCB multicamadas possui diferentes propriedades materiais, como constante dielétrica e condutividade térmica. Quando você está projetando para aplicações especializadas, uma comparação detalhada das propriedades dos materiais do PCB pode ajudá-lo a selecionar o material base certo para usar em sua próxima placa de circuito. O Altium Designer oferece os recursos de que você precisa para selecionar um material base para o seu PCB multicamadas e preparar seu novo design para a fabricação em grande escala.

ALTIUM DESIGNER

A ferramenta de design de PCB mais poderosa, moderna e fácil de usar para eletrônicos avançados. Use quaisquer propriedades de material de PCB e prepare sua placa para a fabricação com o Altium Designer.

Qualquer empilhamento de PCB que você criar para sua placa de circuito incluirá múltiplos materiais. Diversos materiais diferentes serão usados durante a fabricação do PCB. Os materiais que você escolher determinarão a perda de potência/sinal, a impedância de interconexão, o aumento de temperatura, a aspereza da superfície do cobre e o aumento de temperatura em seu PCB. Nem todo material base é ideal para cada aplicação, então você precisará escolher exatamente o material base certo para o seu empilhamento de PCB para equilibrar o desempenho nessas diferentes áreas.

Com uma comparação detalhada das propriedades dos materiais de PCB, você pode determinar o melhor material base a ser usado para o seu próximo sistema. Uma vez que você determine o melhor material para usar em suas placas de circuito, as ferramentas de design e análise de empilhamento de PCB no Altium Designer ajudam você a criar um layout de PCB para placas de circuito de alta velocidade ou designs HDI. Aqui está uma comparação das propriedades dos materiais de PCB para ajudá-lo a escolher o material base certo para suas placas de circuito.

Propriedades Importantes do Material Base de PCB

Ao selecionar um material base para o seu PCB, você precisa considerar as várias propriedades do material e como elas se encaixam na aplicação da sua placa. Aqui estão as propriedades importantes do material de PCB para design de alta velocidade que você precisa considerar no seu PCB:

• Constante Dielétrica Relativa: Este é um número complexo que consiste na permissividade relativa (Dk) e no fator de dissipação (Df). O valor de Df está relacionado à perda de tangente no material.
• Perda do Condutor: As perdas do condutor vêm nas variedades AC e DC, ambas relacionadas à condutividade elétrica dos seus condutores. A condutividade elétrica determina a profundidade da pele, que determina as perdas AC. Note que a perda do condutor em cobre em um substrato de PCB está relacionada à aspereza da superfície do cobre, o que aumentará a perda no sistema e mudará a impedância da interconexão.
• Condutividade Térmica: Isso determina a taxa na qual o calor é dissipado para longe do substrato durante a operação, e determina o aumento da temperatura em relação à temperatura ambiente. Isso, então, determinará sua estratégia de gerenciamento térmico, como o uso de um dissipador de calor ou ventilador para manter os componentes frios.
• Coeficiente de Expansão Térmica (CTE): Isso lhe diz como a placa se expande à medida que sua temperatura aumenta. O CTE é anisotrópico, significando que a placa se expandirá em taxas diferentes em direções diferentes. Normalmente, só nos preocupamos com a expansão ao longo do eixo z, ou seja, perpendicular à camada superficial de uma placa de circuito.
• Temperatura de Transição Vítrea (Tg): A temperatura de transição vítrea lhe diz quando o valor do CTE aumenta subitamente à medida que a temperatura continua a aumentar. O valor do CTE acima do Tg é maior do que o valor do CTE abaixo do Tg.
• Dispersão: A constante dielétrica relativa é uma função da frequência do sinal. Portanto, a dispersão não é um número específico, mas sim uma propriedade que define como sinais com diferentes frequências se movem com diferentes valores de atraso de propagação em um interconexão.

Fabricantes continuam a descobrir materiais mais adequados para placas de circuito de alta velocidade, placas de circuito HDI e ambientes de alta temperatura. As diversas propriedades dos materiais acima afetam como os sinais de alta velocidade se propagam em um substrato devido à dispersão, bem como a forma como eles dispersam calor e resistem ao choque mecânico. Alguns desses materiais são adequados para dispositivos de micro-ondas e mmWave, ou para uso em ambientes de alta temperatura, mas são mais caros para produzir. Sua melhor aposta na escolha de um material é começar com FR4 e avaliar se este material será adequado para sua aplicação.

Materiais Padrão de Empilhamento de PCB

A indústria utiliza principalmente material não condutivo de grau FR4 entre camadas de cobre para construir placas de circuito impresso. FR4 é uma designação de grau da NEMA para material laminado de epóxi reforçado com vidro. A designação representa a proporção de fibra para resina e indica características como retardante de chama, constante dielétrica, fator de perda, resistência à tração, resistência ao cisalhamento, temperatura de transição vítrea e coeficiente de expansão no eixo z. O FR4 é retardante de chama, tornando-o adequado para requisitos de segurança, e é robusto em ambientes de temperatura e umidade variáveis, aumentando a qualidade do desempenho.

Laminados de resina impregnados com fibra de vidro padrão.

Os principais componentes materiais das PCBs são resina polimérica (material dielétrico) com ou sem preenchimentos, reforço e folha de metal. Para formar uma PCB, camadas alternadas de dielétrico, com ou sem reforço, são empilhadas entre as camadas de folha de cobre. A maioria das propriedades materiais de PCB para design de alta velocidade é epóxi, mas algumas podem ser BT, PPE, éster cianato e acrilatos modificados. A estrutura de um laminado de PCB de epóxi típico é mostrada acima.

Corte transversal de um laminado de resina impregnado com fibra de vidro.

Esses laminados são colocados entre camadas de cobre e tornam-se substratos com propriedades dielétricas relevantes para os circuitos montados nas placas. Os projetistas especificam a espessura do substrato para atender aos requisitos dielétricos para os circuitos. O IPC-2221 contém tabelas que especificam a constante dielétrica para FR4 e outros materiais laminados em camadas de substrato de PCB. O melhor conjunto de ferramentas de design e layout de PCB usará esses dados para modelar a impedância e a perda no seu empilhamento de PCB para roteamento e design de trilhas otimizados.

• A dispersão pode ser difícil de modelar se você não estiver familiarizado com o comportamento de alta frequência em materiais dielétricos de PCB.

  Saiba mais sobre a dispersão dielétrica de alta frequência em material de PCB FR4 para design de alta velocidade.

• A rugosidade da superfície em um laminado de PCB e a rugosidade da superfície de cobre afetarão a impedância real e imaginária das trilhas no seu PCB.

  Saiba mais sobre a modelagem da rugosidade da superfície de cobre no seu PCB.

• Você pode criar seu empilhamento de PCB com qualquer arranjo de material dielétrico quando usar o conjunto certo de ferramentas de design de PCB.

  Saiba mais sobre o trabalho com o Gerenciador de Empilhamento de Camadas no Altium Designer.

Material de PCB para Design de Alta Velocidade e HDI

A resina base da indústria tem sido a resina epóxi. A epóxi é um elemento básico devido ao seu custo relativamente baixo, forte adesão (tanto aos folheados de metal quanto a si mesma) e propriedades térmicas, mecânicas e elétricas desejáveis. A química básica da epóxi mudou drasticamente ao longo dos anos. Materiais de empilhamento de PCB baseados em outras resinas são tipicamente selecionados para abordar deficiências específicas dos sistemas de resina epóxi. BT-Epoxy é comum para pacotes de chips orgânicos devido à sua estabilidade térmica, enquanto resinas de poliimida e éster cianato são usadas por seus valores mais baixos de Dk e Df.

Além das resinas termofixas, resinas termoplásticas são utilizadas, incluindo poliimida e politetrafluoretileno (PTFE). Ao contrário da versão termoplástica da poliimida, que é relativamente frágil, a versão termofixa é flexível e é fornecida em forma de filme. É tipicamente usada para fazer circuitos flexíveis, bem como os circuitos combinados chamados de rígido-flex. Também é mais cara que a epóxi e é usada apenas conforme necessário. Muitas empresas adotaram um requisito "Livre de Halogênio" em antecipação a uma eventual proibição de retardantes de chama à base de bromo usados em materiais dielétricos avançados de PCB.

Essas propriedades são ideais para PCBs de alta velocidade e HDI. Um menor constante dielétrica permite que os sinais nessas placas viajem mais rápido e reduz o acoplamento capacitivo entre trilhas de sinal adjacentes. Isso ajuda a garantir a integridade do sinal nessas placas, reduzindo o crosstalk entre linhas de sinal adjacentes. Isso é especialmente importante em placas HDI, onde as trilhas são compactadas em pequenos espaços.

Opções Alternativas de Dielétrico para Empilhamento de PCB

Se você está projetando para uma aplicação de alta temperatura ou alta potência, existem opções alternativas de substrato disponíveis. Esses substratos alternativos também podem ser usados para designs de PCB de HDI e alta velocidade, dando a você mais flexibilidade para escolher o melhor material base para sua placa de circuito.

• Os materiais de substrato de PCB cerâmico fornecem uma condutividade térmica muito alta e uma dispersão mais suave em altas frequências, tornando-os ideais para uso em ambientes de alta temperatura.

  Saiba mais sobre materiais dielétricos de PCB cerâmico.

• Os substratos de PCB com núcleo metálico são frequentemente usados para placas de circuito de uma camada ou duas camadas que funcionarão com alta potência e atingirão alta temperatura.

  Saiba mais sobre o uso de substratos de PCB com núcleo metálico.

• Para uma PCB flexível ou rígido-flexível, você precisará escolher uma classe de materiais flexíveis com folha de cobre lisa na camada superficial.

  Saiba mais sobre as opções de material base flexível para design de PCB flexível e rígido-flexível.

O design de PCB rígido-flexível é fácil no Altium Designer.

Crie Seu Empilhamento de PCB no Altium Designer

O Gerenciador de Empilhamento de Camadas no Altium Designer inclui uma biblioteca de materiais padrão de tecido de fibra de vidro com constante dielétrica bem definida, valor de CTE e modelos de dispersão. Se você estiver trabalhando com um material mais especializado, como RT Duroid ou uma PCB de núcleo de alumínio, você pode definir a constante dielétrica e a perda a partir de uma ficha técnica. Você pode então projetar trilhas de impedância controlada com um solucionador de campo integrado. Tudo o que você precisa para garantir a integridade do sinal e rotear placas HDI está presente no Altium Designer.

A ferramenta Draftsman do Altium Designer fornece informações sobre opções de material dielétrico de cobre e empilhamento de PCB necessárias para a fabricação de PCB. Materiais para pasta de solda e revestimento de furos também são comunicados. O uso de materiais RoHS está se tornando a norma à medida que a remoção de solda de chumbo e outros materiais tóxicos se torna obrigatória em todo o mundo.

Instruções de montagem e detalhes de fabricação são enumerados nas camadas mecânicas de propósito geral incorporadas ao empilhamento de camadas. Camadas especiais dentro do Gerenciador de Empilhamento de Camadas são dedicadas a especificar serigrafia, máscara de solda e pasta, informações de furação, áreas de exclusão e camadas de interconexão.

O Ambiente Unificado de Design de PCB no Altium Designer

O ambiente unificado no Altium Designer também inclui recursos de layout e roteamento para a criação de PCBs de alta velocidade, placas de circuito HDI e PCBs rígido-flexíveis. Cada função no Altium Designer é construída sobre um motor de design baseado em regras, e todas as suas ferramentas de layout e roteamento de PCB estão acessíveis dentro de um único programa. Os recursos de simulação no Altium Designer também são ideais para examinar a integridade do sinal em propriedades de material de placas de circuito de alta velocidade e HDI.

• O motor de design baseado em regras no Altium Designer automaticamente sinaliza erros à medida que você cria desenhos esquemáticos e seu layout de PCB. Você pode permanecer produtivo e projetar eletrônicos poderosos neste ambiente de design único.

  Saiba mais sobre o ambiente de design unificado e baseado em regras do Altium Designer.

• Para ajudar a garantir a integridade do sinal em materiais para HDI e propriedades de material de placas de circuito de alta velocidade, o Altium Designer inclui um solucionador de campo 3D integrado para cálculos de impedância e integridade de sinal.

  Saiba mais sobre o solucionador de campo 3D da Simberian no Altium Designer.

• Se você é novo no design integrado de PCB, a Altium oferece acesso a tutoriais e recursos de design de PCB por meio da Altium Academy.

  Aprenda mais sobre material de PCB para design de alta velocidade no Altium Designer através da Altium Academy.

Crie seu empilhamento de PCB e especifique a constante dielétrica para suas placas de circuito no Altium Designer.

O gráfico de comparação de materiais de PCB para design de alta velocidade e propriedades de material de placa de circuito HDI é um assunto sério para designers de PCB e engenheiros elétricos. Existem vários recursos que fornecem uma comparação das propriedades dos materiais de placas de PCB, mas você precisa de um software de design que permita usar qualquer material para o design de empilhamento de PCB. Os recursos de design de PCB no Altium Designer permitem selecionar materiais para o seu empilhamento de PCB avançado, e você terá acesso a um conjunto completo de recursos de CAD e ferramentas de simulação.

O Altium Designer no Altium 365 oferece um nível de integração sem precedentes para a indústria eletrônica até agora relegado ao mundo do desenvolvimento de software, permitindo que os designers trabalhem de casa e alcancem níveis de eficiência sem precedentes.

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