Các Tính Chất Nhiệt Quan Trọng của Vật Liệu Nền PCB

Nhiều nhà thiết kế thường tập trung vào vấn đề tính toàn vẹn tín hiệu tiềm năng khi lựa chọn vật liệu nền PCB. Điều này hoàn toàn dễ hiểu; các thiết bị tốc độ cao/tần số cao yêu cầu tổn thất thấp và sự phân tán phẳng trong băng thông liên quan để ngăn chặn sự méo tín hiệu, và đây thường là điểm xuất phát để lựa chọn vật liệu nền PCB. Tuy nhiên, tính chất điện môi không phải là toàn bộ câu chuyện của vật liệu lớp phủ của bạn.

Vật liệu nền PCB của bạn cũng có một số tính chất nhiệt quan trọng cần được xem xét trong quá trình thiết kế. Không phải tất cả các bảng mạch sẽ được triển khai trong môi trường khắc nghiệt, nhưng những cái được triển khai cần phải duy trì độ tin cậy trong suốt thời gian sử dụng. Nhiệt độ cao, chu kỳ nhiệt độ lặp lại, sự hấp thụ ẩm và nhiệt độ chuyển thủy tinh thấp có thể tạo ra vấn đề trong quá trình sản xuất và vận hành. Nếu bạn chú ý đến các tính chất nhiệt đúng đắn của vật liệu nền của mình, bạn có thể đảm bảo tính toàn vẹn tín hiệu và độ tin cậy.

Chú ý đến Tính chất Vật liệu Nền PCB

Tính toàn vẹn tín hiệu dựa vào hằng số điện môi của vật liệu nền PCB của bạn. Vấn đề lớn khi đọc các giá trị này từ tờ dữ liệu là giá trị được trích dẫn phụ thuộc vào phương pháp sử dụng để đo lường. Jon Coonrod thảo luận về điểm này trong một podcast gần đây. Điều này ít phải lo lắng hơn với các tính chất nhiệt. Có một số tính chất nhiệt quan trọng cần xem xét khi lựa chọn vật liệu nền PCB.

Dẫn Nhiệt và Điện Trở Nhiệt

Dẫn nhiệt có lẽ nhận được nhiều sự chú ý nhất trong tất cả các tính chất có thể của vật liệu nền PCB (sau độ mất mát, dĩ nhiên). Đôi khi, người ta sử dụng thuật ngữ này một cách có thể thay thế cho điện trở nhiệt. Mặc dù hai thuật ngữ này có liên quan, nhưng chúng không giống nhau.

Dẫn nhiệt là tương đương nhiệt động của dẫn điện. Nó xác định tốc độ mà nhiệt được vận chuyển dọc theo gradient nhiệt độ trên mỗi đơn vị diện tích. Điện trở nhiệt của vật liệu nền PCB của bạn phụ thuộc vào một đại lượng liên quan, đó là dẫn nhiệt hiệu quả. Dẫn nhiệt hiệu quả tỷ lệ với giá trị dẫn nhiệt cá nhân của từng vật liệu (đồng, lõi/prepreg, nhựa, v.v.) trên bảng mạch. Bảng dữ liệu báo giá một giá trị dẫn nhiệt cho vật liệu laminate trần.

Nếu bạn cần nhanh chóng tản nhiệt từ các thành phần, thì bạn cần một dẫn nhiệt lớn hơn. Một số lựa chọn thay thế cho FR4 có thể cung cấp dẫn nhiệt cao hơn nhiều. Gốm là một ví dụ đáng chú ý, vì chúng có giá trị dẫn nhiệt rất cao so với các laminate dệt bằng thủy tinh. Vật liệu nền cốt kim loại cũng là một lựa chọn xuất sắc; những vật liệu này thường được sử dụng với các bảng mạch LED công suất cao.

Hệ số Giãn Nở Nhiệt (CTE)

Mọi vật liệu đều giãn nở hoặc co lại khi nhiệt độ thay đổi. Các giá trị CTE xác định lượng tăng thể tích của một vật liệu khi nhiệt độ của nó tăng lên. Trừ khi bạn đang làm việc với nước ở dưới 4 °C, các giá trị CTE luôn luôn là dương. Đối với đồng, hệ số giãn nở nhiệt là khoảng 17 ppm/°C, trong khi giá trị này thay đổi đối với các vật liệu nền khác nhau, một giá trị điển hình cho FR4 là 11 dọc theo bề mặt bảng mạch và 15 vuông góc với bề mặt bảng mạch. Các vật liệu khác, như gốm sứ, có thể có một phạm vi rộng lớn các giá trị CTE. Ví dụ, nitride nhôm rất hữu ích vì khả năng dẫn nhiệt cao của nó, nhưng giá trị CTE khá thấp (từ 4.3 đến 5.8 ppm/°C).

CTE quan trọng cả ở nhiệt độ cao và khi nhiệt độ của bảng mạch được lặp đi lặp lại giữa các giá trị cao và thấp. Trong quá trình lặp, bảng mạch sẽ giãn nở và co lại, điều này tạo ra áp lực lên các thành phần đồng, và áp lực này lớn hơn khi sự không khớp giữa các giá trị CTE của nền và đồng lớn hơn. Các giá trị CTE cho các dẫn điện và vật liệu nền của bạn nên khớp càng chặt càng tốt.

Đối với các via có tỷ lệ khía cạnh thấp và các đường dẫn dày vừa phải, sự không khớp CTE không phải là vấn đề lớn. Tuy nhiên, via có tỷ lệ khía cạnh cao sẽ trải qua sự tập trung căng thẳng ở giữa thân via và tại cổ, đòi hỏi phải có một lớp phủ dày hơn hoặc lấp đầy để đảm bảo một đường dẫn dẫn điện nếu via bị nứt. Trong các bảng mạch HDI, sự tích tụ căng thẳng lặp đi lặp lại do chu kỳ được biết đến là dẫn đến việc nứt ở cổ via.

Nhiệt độ Chuyển Pha Kính (Tg)

Đại lượng này liên quan đến CTE. Giá trị CTE của bất kỳ vật liệu nào nói chung tăng theo nhiệt độ. Sự chuyển pha kính có xu hướng xảy ra trong các vật liệu vô định hình; một khi nhiệt độ của một vật liệu vượt qua nhiệt độ chuyển pha kính của nó, độ dốc của đường cong CTE so với nhiệt độ của vật liệu trải qua sự tăng vọt. Điều này có nghĩa là vật liệu trải qua sự giãn nở lớn hơn với sự thay đổi nhiệt độ khi nhiệt độ vượt qua Tg.

Trong vật liệu nền sợi thủy tinh, một cách để tăng phạm vi giá trị nhiệt độ hữu ích và tránh sự chuyển giao thủy tinh là sử dụng vật liệu nền có nhựa Tg cao. FR4 tiêu chuẩn có giá trị Tg khoảng ~130 °C, nhưng một vật liệu nền có nhựa Tg cao có thể nâng giá trị Tg lên tới ~170 °C. Nếu giá trị CTE của vật liệu nền và dẫn điện của bạn được khớp chặt ở nhiệt độ thấp, và bảng mạch của bạn sẽ hoạt động ở nhiệt độ cao, thì bạn nên chọn một vật liệu nền có giá trị Tg cao hơn.

Hầu hết các bảng mạch có lẽ sẽ không hoạt động trên giá trị Tg tiêu chuẩn khoảng ~130 °C. Điều quan trọng hơn là sự ổn định của CTE theo chức năng của nhiệt độ, vì một giá trị CTE quá cao ở nhiệt độ cao tạo ra nhiều áp lực hơn lên các dẫn điện mỏng. Nếu bảng mạch của bạn thường xuyên được chu kỳ lên nhiệt độ cao, tôi sẽ chọn một giá trị CTE ổn định hơn gần với giá trị CTE của dẫn điện.

Thiết Kế Của Bạn Là Một Sự Cân Bằng

Dù chúng ta có mong muốn đến đâu, không có thiết kế nào có thể đáp ứng hoàn toàn mọi yêu cầu về tính toàn vẹn tín hiệu và quản lý nhiệt, và cần phải có sự thỏa hiệp. Khi nói đến tính chất nhiệt, việc lặp đi lặp lại quá trình nung nóng lên nhiệt độ cao có thể cần được ưu tiên hơn so với hệ số mất mát và hằng số điện mô ở một số loại bảng mạch. Nếu bạn không làm việc ở tốc độ cao, tần số cao, hoặc điện áp cao, bạn có thể muốn tập trung ít hơn vào tính chất điện mô và tập trung nhiều hơn vào tính chất nhiệt để đảm bảo độ tin cậy.

Công cụ thiết kế chất lượng cao trong Altium Designer® bao gồm một thư viện vật liệu xếp chồng rộng lớn với các giá trị tiêu chuẩn cho các tính chất nhiệt được trình bày ở đây, cũng như các tính chất điện mô. Những dữ liệu này dễ dàng được đưa vào công cụ mô phỏng trước và sau khi bố trí trong Altium Designer, cho phép bạn nhanh chóng phân tích chiến lược quản lý nhiệt của mình. Bạn cũng sẽ có quyền truy cập vào một loạt công cụ rộng lớn để quản lý dữ liệu linh kiện và chuẩn bị cho sản xuất.

Khi bạn đã hoàn thành thiết kế và muốn gửi các tệp cho nhà sản xuất của mình, nền tảng Altium 365™ giúp việc hợp tác và chia sẻ dự án của bạn trở nên dễ dàng. Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bạn có thể kiểm tra trang sản phẩm để biết mô tả tính năng sâu hơn hoặc một trong những Webinar Theo Yêu Cầu.