Важные тепловые свойства материалов подложки печатных плат

Многие дизайнеры склонны обращать внимание на потенциальные проблемы целостности сигнала при выборе материалов для подложки печатных плат. Это вполне понятно; устройства с высокой скоростью/высокой частотой требуют низких потерь и плоской дисперсии в соответствующей полосе пропускания для предотвращения искажения сигнала, и это часто является отправной точкой для выбора материалов для подложки печатных плат. Однако диэлектрические свойства - это не вся история ваших ламинатных материалов.

Материалы вашей подложки печатной платы также обладают некоторыми важными тепловыми свойствами, которые следует учитывать при проектировании. Не все платы будут использоваться в суровых условиях, но те, которые будут, должны оставаться надежными на протяжении всего срока службы. Высокие температуры, повторяющиеся тепловые циклы, поглощение влаги и низкая температура стеклования могут создавать проблемы во время производства и эксплуатации. Если вы обратите внимание на правильные тепловые свойства ваших материалов для подложки, вы можете обеспечить целостность сигнала и надежность.

Обращайте внимание на свойства материалов подложки печатных плат

Целостность сигнала зависит от диэлектрической постоянной материала вашей подложки печатной платы. Основная проблема с чтением этих значений из технических описаний заключается в том, что указанное значение зависит от метода измерения. Джон Кунрод обсуждает этот момент в недавнем подкасте. Это менее проблематично с тепловыми свойствами. Существует несколько важных тепловых свойств, которые следует учитывать при выборе материалов для подложки печатных плат.

Теплопроводность против Теплового Сопротивления

Теплопроводность, вероятно, получает наибольшее внимание среди всех возможных свойств материалов подложки печатных плат (после тангенса угла потерь, конечно). Иногда ее используют как взаимозаменяемую с тепловым сопротивлением. Хотя два этих понятия связаны, они не являются одним и тем же.

Теплопроводность - это термодинамический аналог электропроводности. Она определяет скорость, с которой тепло переносится вдоль градиента температуры на единицу площади. Тепловое сопротивление вашей подложки печатной платы зависит от связанной величины, которая является эффективной теплопроводностью. Эффективная теплопроводность пропорциональна индивидуальным значениям теплопроводности каждого материала (медь, сердцевина/препрег, смола и т.д.) на плате. В технических описаниях указывается значение теплопроводности для чистого ламинатного материала.

Если вам нужно быстро рассеивать тепло от компонентов, тогда вам нужна большая теплопроводность. Некоторые альтернативы FR4 могут обеспечить гораздо более высокую теплопроводность. Керамика - один заметный пример, поскольку она имеет очень высокие значения теплопроводности по сравнению с ламинатами на основе стекловолокна. Подложки на металлической основе также являются отличным выбором; эти материалы обычно используются с платами для светодиодов высокой мощности.

Коэффициент Теплового Расширения (CTE)

Каждый материал расширяется или сжимается при изменении температуры. Значения коэффициента теплового расширения (CTE) определяют, насколько увеличивается объем материала при повышении его температуры. Если вы не работаете с водой при температуре ниже 4 °C, значения CTE всегда положительные. Для меди коэффициент теплового расширения составляет ~17 ppm/°C, в то время как этот показатель варьируется для различных подложечных материалов, типичное значение для FR4 составляет 11 вдоль поверхности платы и 15 перпендикулярно поверхности платы. Другие материалы, такие как керамика, могут иметь широкий диапазон значений CTE. Например, нитрид алюминия очень полезен благодаря своей высокой теплопроводности, но значение CTE довольно низкое (от 4.3 до 5.8 ppm/°C).

CTE важен как при высокой температуре, так и когда температура платы многократно циклируется между высокими и низкими значениями. Во время циклирования плата будет расширяться и сжиматься, что создает напряжение на медных элементах, и это напряжение больше, когда разница между значениями CTE подложки и меди больше. Значения CTE для ваших проводников и материалов подложки должны максимально совпадать.

Для переходных отверстий с низким аспектным соотношением и достаточно толстых дорожек, несоответствие коэффициентов теплового расширения (КТР) не является такой уж проблемой. Однако переходные отверстия с высоким аспектным соотношением будут испытывать концентрацию напряжений в середине ствола и у горловины, что требует более толстого покрытия или заполнения для обеспечения проводящего пути в случае трещины в переходном отверстии. На платах HDI известно, что повторяющееся накопление напряжений из-за циклических нагрузок приводит к трещинам у горловин переходных отверстий.

Температура стеклования (Tg)

Этот параметр связан с КТР. Значение КТР любого материала обычно увеличивается с температурой. Переходы в стеклообразное состояние склонны происходить в аморфных материалах; как только температура материала превышает его температуру стеклования, наклон кривой КТР материала в зависимости от температуры испытывает резкое увеличение. Это означает, что материал испытывает большее расширение с изменением температуры, когда температура превышает Tg.

В материалах субстрата на основе стеклоткани, один из способов увеличить диапазон полезных температурных значений и избежать стеклования - использовать субстрат с смолой высокого Tg. Стандартный FR4 имеет значение Tg около 130 °C, но субстрат с смолой высокого Tg может повысить значение Tg до ~170 °C. Если значения ТКЛ вашего субстрата и проводника были тесно согласованы при низкой температуре, и ваша плата будет работать при высоких температурах, тогда вам следует выбрать субстрат с более высоким значением Tg.

Большинство плат, вероятно, не будут работать выше стандартного значения Tg ~130 °C. Более важной является стабильность ТКЛ в зависимости от температуры, поскольку чрезмерное значение ТКЛ при высокой температуре создает больше напряжения на тонких проводниках. Если ваша плата будет часто подвергаться воздействию высоких температур, я бы выбрал более стабильное значение ТКЛ, близкое к значению ТКЛ проводника.

Ваши проекты - это акт балансировки

Насколько бы нам этого ни хотелось, ни один дизайн не сможет удовлетворить все требования к целостности сигнала и тепловому управлению, и приходится идти на компромиссы. Когда речь заходит о тепловых свойствах, повторяющийся цикл нагрева до высокой температуры может иметь приоритет над потерями тангенса и диэлектрической проницаемостью на некоторых платах. Если вы не работаете на высокой скорости, высокой частоте или высоком напряжении, возможно, вам стоит меньше внимания уделять диэлектрическим свойствам и сосредоточиться больше на тепловых свойствах, чтобы обеспечить надежность.

Высококачественные инструменты проектирования в Altium Designer® включают в себя обширную библиотеку материалов стека с стандартными значениями для тепловых свойств, представленных здесь, а также диэлектрических свойств. Эти данные легко интегрируются в инструменты предварительного и постлайаутного моделирования в Altium Designer, давая вам возможность быстро анализировать вашу стратегию теплового управления. Вы также получите доступ к широкому спектру инструментов для управления данными компонентов и подготовки к производству.

Когда вы закончили свой проект и хотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365 упрощает сотрудничество и обмен проектами. Мы только коснулись поверхности того, что возможно сделать с Altium Designer на Altium 365. Вы можете посмотреть страницу продукта для более подробного описания функций или один из Вебинаров по запросу.