Сравнение свойств материалов печатных плат для высокоскоростного дизайна и плат HDI

Любая печатная плата использует разнообразие материалов для создания многослойной структуры, травления меди, нанесения защитной маски и печати шелкографии. Каждый диэлектрический материал, который вы используете для создания многослойной структуры вашей печатной платы, обладает различными свойствами, такими как диэлектрическая постоянная и теплопроводность. Когда вы разрабатываете устройство для специализированных приложений, тщательное сравнение свойств материалов печатных плат может помочь вам выбрать подходящий базовый материал для использования в вашей следующей плате. Altium Designer предоставляет вам необходимые функции для выбора базового материала для вашей многослойной печатной платы и подготовки вашего нового проекта к массовому производству.

ALTIUM DESIGNER

Самый мощный, современный и простой в использовании инструмент для проектирования печатных плат для продвинутой электроники. Используйте любые свойства материалов печатных плат и подготовьте вашу плату к производству с помощью Altium Designer.

Любая многослойная структура, которую вы создаете для вашей печатной платы, будет включать в себя множество материалов. В процессе производства печатных плат будет использовано множество различных материалов. Выбранные вами материалы определят потери мощности/сигнала, импеданс соединений, повышение температуры, шероховатость медного покрытия и повышение температуры в вашей печатной плате. Не каждый базовый материал идеален для каждого приложения, поэтому вам нужно будет выбрать именно тот базовый материал для вашей многослойной структуры, который обеспечит баланс производительности в этих различных областях.

С тщательным сравнением свойств материалов для печатных плат вы можете определить лучший базовый материал для использования в вашей следующей системе. Как только вы определите лучший материал для ваших печатных плат, инструменты проектирования и анализа структуры печатной платы в Altium Designer помогут вам создать макет печатной платы для высокоскоростных схем или HDI-дизайнов. Вот сравнение свойств материалов печатных плат, чтобы помочь вам выбрать правильный базовый материал для ваших печатных плат.

Важные свойства базового материала печатной платы

При выборе базового материала для вашей печатной платы вам необходимо учитывать различные свойства материала и то, как они вписываются в применение вашей платы. Вот важные свойства материала для печатных плат высокой скорости, которые вам нужно учитывать в вашей печатной плате:

• Относительная диэлектрическая проницаемость: Это сложное число, состоящее из относительной проницаемости (Dk) и коэффициента потерь (Df). Значение Df связано с потерями на тангенс угла в материале.
• Потери в проводнике: Потери в проводнике бывают переменного (AC) и постоянного (DC) тока, оба типа связаны с электропроводностью ваших проводников. Электропроводность определяет глубину проникновения, которая, в свою очередь, определяет потери AC. Заметьте, что потери в проводнике из меди на подложке печатной платы связаны с шероховатостью поверхности меди, что увеличивает потери в системе и изменяет импеданс соединения.
• Теплопроводность: Определяет скорость, с которой тепло рассеивается от подложки во время работы, и определяет повышение температуры по отношению к окружающей среде. Это, в свою очередь, определит вашу стратегию теплового управления, такую как использование радиатора или вентилятора для охлаждения компонентов.
• Коэффициент теплового расширения (CTE): Показывает, как расширяется плата при увеличении её температуры. CTE анизотропен, что означает, что плата расширяется с разной скоростью в разных направлениях. Обычно нас интересует только расширение вдоль оси z, то есть перпендикулярно поверхностному слою печатной платы.
• Температура стеклования (Tg): Температура стеклования показывает, когда значение CTE резко увеличивается по мере продолжения роста температуры. Значение CTE выше Tg больше, чем значение CTE ниже Tg.
• Дисперсия: Относительная диэлектрическая проницаемость является функцией частоты сигнала. Поэтому дисперсия не является конкретным числом, а скорее свойством, определяющим, как сигналы с различными частотами перемещаются с различными значениями задержки распространения в межсоединении.

Производители продолжают находить материалы, лучше подходящие для высокоскоростных печатных плат, печатных плат HDI и условий высоких температур. Различные свойства материалов выше влияют на то, как высокоскоростные сигналы распространяются в субстрате из-за дисперсии, а также на то, как они рассеивают тепло и выдерживают механические удары. Некоторые из этих материалов подходят для устройств микроволнового и миллиметрового диапазонов или для использования в условиях высоких температур, но их производство более дорогостоящее. Ваш лучший выбор при выборе материала - начать с FR4 и оценить, будет ли этот материал подходящим для вашего применения.

Стандартные материалы стека печатных плат

В индустрии в основном используют непроводящий материал класса FR4 между слоями меди для изготовления печатных плат. FR4 - это обозначение класса по NEMA для стекловолоконного эпоксидного ламината. Обозначение представляет собой соотношение волокна к смоле и указывает характеристики, такие как огнестойкость, диэлектрическая постоянная, коэффициент потерь, предел прочности при растяжении, сдвиговая прочность, температура стеклования и коэффициент расширения по оси Z. FR4 является огнестойким, что делает его подходящим для требований безопасности, и он устойчив в различных температурных и влажностных условиях, что повышает качество работы.

Стандартные ламинаты, пропитанные стекловолокном и смолой.

Основные материальные компоненты печатных плат - это полимерная смола (диэлектрический материал) с наполнителями или без, армирование и металлическая фольга. Для формирования печатной платы чередующиеся слои диэлектрика, с армированием или без, укладываются между слоями медной фольги. Большинство свойств материалов печатных плат для высокоскоростного дизайна - это эпоксид, но некоторые могут быть BT, PPE, цианатэфир и модифицированные акрилаты. Структура типичного эпоксидного ламината печатной платы показана выше.

Разрез ламината, пропитанного стекловолокном и смолой.

Эти ламинаты размещаются между слоями меди и становятся подложками с диэлектрическими свойствами, соответствующими собранным на платах схемам. Конструкторы указывают толщину подложки, чтобы соответствовать диэлектрическим требованиям для схем. IPC-2221 содержит таблицы, указывающие диэлектрическую постоянную для FR4 и других ламинатных материалов в слоях подложки печатной платы. Лучший набор инструментов для проектирования и размещения печатных плат будет использовать эти данные для моделирования импеданса и потерь в вашей структуре печатной платы для оптимального маршрутизации и дизайна дорожек.

• Дисперсия может быть сложной для моделирования, если вы не знакомы с поведением высоких частот в диэлектрических материалах печатных плат.

  Узнайте больше о диэлектрической дисперсии высоких частот в материале печатных плат FR4 для высокоскоростного дизайна.

• Шероховатость поверхности ламината печатной платы и шероховатость медной поверхности будут влиять на реальный и мнимый импеданс дорожек на вашей печатной плате.

  Узнайте больше о моделировании шероховатости медной поверхности на вашей печатной плате.

• Вы можете создать вашу структуру печатной платы с любым расположением диэлектрических материалов, когда используете правильный набор инструментов для проектирования печатных плат.

  Узнайте больше о работе с менеджером структуры слоев в Altium Designer.

Материал печатной платы для высокоскоростного дизайна и HDI

Основой смолы индустрии всегда была эпоксидная смола. Эпоксид остаётся важным материалом благодаря своей относительно низкой стоимости, сильной адгезии (как к металлическим фольгам, так и к самой себе), а также желательным тепловым, механическим и электрическим свойствам. Основная химия эпоксидов значительно изменилась за годы. Альтернативные материалы для стека печатных плат на основе смол обычно выбираются для решения конкретных недостатков систем на основе эпоксидных смол. BT-эпоксид распространён для органических чип-пакетов из-за его термической стабильности, в то время как полиимидные и цианатэфирные смолы используются из-за их более низких значений Dk и Df.

Помимо термореактивных смол, используются термопластичные смолы, включая полиимид и политетрафторэтилен (PTFE). В отличие от термопластичной версии полиимида, которая относительно хрупкая, термореактивная версия гибкая и поставляется в виде плёнки. Обычно её используют для изготовления гибких схем, а также комбинированных схем, называемых жёстко-гибкими. Она также более дорогая, чем эпоксид, и используется по мере необходимости. Многие компании перешли к требованию "Без галогенов" в предвкушении будущего запрета на бромсодержащие огнезащитные добавки, используемые в передовых диэлектрических материалах для печатных плат.

Такие свойства идеально подходят для высокоскоростных и HDI печатных плат. Низкая диэлектрическая проницаемость позволяет сигналам на этих платах распространяться быстрее и снижает емкостную связь между соседними сигнальными дорожками. Это помогает обеспечить целостность сигнала на этих платах за счет уменьшения перекрестных помех между соседними сигнальными линиями. Это особенно важно для HDI плат, где дорожки упакованы в маленькие пространства.

Альтернативные варианты диэлектрика для структуры печатной платы

Если вы разрабатываете устройство для работы в условиях высокой температуры или высокой мощности, доступны альтернативные варианты подложек. Эти альтернативные подложки также могут использоваться для HDI и высокоскоростных конструкций печатных плат, что дает вам больше гибкости в выборе лучшего базового материала для вашей печатной платы.

• Керамические материалы подложек печатных плат обеспечивают очень высокую теплопроводность и более плавное распределение при высоких частотах, что делает их идеальными для использования в условиях высокой температуры.

  Узнайте больше о керамических диэлектрических материалах для печатных плат.

• Подложки печатных плат на металлической основе часто используются для однослойных или двухслойных печатных плат, которые будут работать при высокой мощности и достигать высокой температуры.

  Узнайте больше об использовании подложек печатных плат на металлической основе.

• Для гибкой или жестко-гибкой печатной платы вам нужно будет выбрать класс гибких материалов с гладкой медной фольгой на поверхностном слое.

  Узнайте больше о вариантах гибких базовых материалов для дизайна гибких и жестко-гибких печатных плат.

Дизайн жестко-гибкой печатной платы легко осуществляется в Altium Designer.

Создайте вашу структуру печатной платы в Altium Designer

Менеджер структуры слоев в Altium Designer включает библиотеку стандартных материалов из стекловолокна с четко определенной диэлектрической постоянной, значением ТКЛР и моделями дисперсии. Если вы работаете с более специализированным материалом, таким как RT Duroid или печатная плата на алюминиевой основе, вы можете определить диэлектрическую постоянную и потери из технического описания. Затем вы можете проектировать трассы с контролируемым импедансом с помощью интегрированного решателя поля. Все, что вам нужно для обеспечения целостности сигнала и маршрутизации плат HDI, присутствует в Altium Designer.

Инструмент Draftsman в Altium Designer предоставляет информацию о меди и диэлектрических материалах структуры печатной платы, необходимых для производства печатных плат. Также сообщается о материалах для паяльной пасты и металлизации отверстий. Использование материалов, соответствующих требованиям RoHS, становится нормой, поскольку во всем мире становится обязательным удаление свинцового припоя и других токсичных материалов.

Инструкции по сборке и детали изготовления перечислены на универсальных механических слоях, встроенных в стек слоев. Специальные слои в Менеджере Стека Слоев предназначены для указания шелкографии, масок пайки и пасты, информации о сверлении, зон запрета и межсоединительных слоев.

Единая среда проектирования печатных плат в Altium Designer

Единая среда в Altium Designer также включает функции компоновки и трассировки для создания высокоскоростных печатных плат, плат HDI и жестко-гибких печатных плат. Каждая функция в Altium Designer построена на движке проектирования, управляемом правилами, и все инструменты компоновки и трассировки печатных плат доступны в одной программе. Функции моделирования в Altium Designer также идеально подходят для анализа целостности сигналов в материалах высокоскоростных и плат HDI.

• Движок проектирования, управляемый правилами, в Altium Designer автоматически выделяет ошибки при создании схематических чертежей и компоновки печатной платы. Вы можете оставаться продуктивным и проектировать мощную электронику в этой уникальной среде проектирования.

  Узнайте больше о единой среде проектирования, управляемой правилами, в Altium Designer.

• Чтобы обеспечить целостность сигнала в материалах для плат HDI и высокоскоростных печатных плат, Altium Designer включает интегрированный 3D решатель поля для расчетов импеданса и целостности сигнала.

  Узнайте больше о 3D решателе поля Simberian в Altium Designer.

• Если вы новичок в интегрированном проектировании печатных плат, Altium предоставляет вам доступ к учебным пособиям и ресурсам по проектированию печатных плат через Altium Academy.

  Узнайте больше о материалах для печатных плат для высокоскоростного проектирования в Altium Designer через Altium Academy.

Создайте вашу структуру печатной платы и укажите диэлектрическую постоянную для ваших печатных плат в Altium Designer.

Сравнительная таблица материалов для печатных плат для высокоскоростного проектирования и свойства материалов для печатных плат HDI является серьезной темой для проектировщиков печатных плат и электроинженеров. Существует несколько ресурсов, предоставляющих сравнение свойств материалов для печатных плат, но вам нужно программное обеспечение для проектирования, которое позволяет использовать любой материал для проектирования структуры печатной платы. Функции проектирования печатных плат в Altium Designer позволяют вам выбирать материалы для вашей продвинутой структуры печатной платы, и вы получите доступ к полному набору функций CAD и инструментов симуляции.

Altium Designer на Altium 365 обеспечивает беспрецедентный уровень интеграции в электронной промышленности, который до сих пор был ограничен миром разработки программного обеспечения, позволяя дизайнерам работать из дома и достигать беспрецедентных уровней эффективности.

Мы только начали раскрывать возможности использования Altium Designer на Altium 365. Вы можете посетить страницу продукта для более подробного описания функций или один из вебинаров по запросу.