Materiał dielektryczny PCB odnosi się do materiału, który jest z natury nieprzewodzący, jest bardzo ważny w formowaniu płytek drukowanych. Materiały te działają jako izolatory, a także bariery między warstwami przewodzącymi, aby uniknąć bezpośrednich połączeń i zachować czystość sygnałów. Wraz ze wzrostem poziomu integracji decyzja o materiale dielektrycznym używanym w płytkach drukowanych jest kluczowa dla osiągnięcia zadowalającej wydajności w krytycznych zastosowaniach. W tym blogu omówimy około 4 powszechnie stosowanych materiałów dielektrycznych PCB i kilka porad, jak wybrać najlepszy z nich. Zacznijmy od jego definicji.
Czym są materiały dielektryczne?
Dielektryki to materiały, które nie oferują przewodnictwa i mają zdolność zatrzymywania ładunków elektrycznych i zapobiegania ich przepływowi przez materiał. Dwie właściwości wyróżniają te materiały: Jedną z nich jest stała dielektryczna, która wskazuje, jak dobrze materiały mogą magazynować i przenosić energię elektryczną. Drugą jest współczynnik rozpraszania, który mierzy, jak słabo materiały są zdolne do magazynowania energii elektrycznej. Materiał dielektryczny w PCB jest używany pomiędzy ścieżkami przewodzącymi i miejscami izolacji elektrycznej, tak aby nie dochodziło do zwarć ani zakłóceń sygnału. Materiały dielektryczne używane w płytce umożliwiają pojemność płytki, co jest niezbędne w obwodach o wysokiej częstotliwości i „dużej prędkości”. Ich wartości wpływają na parametry elektryczne, termiczne i mechaniczne PCB, w tym stałą dielektryczną, przewodność cieplną i wytrzymałość mechaniczną materiału.
Rodzaje materiałów dielektrycznych PCB
FR-4 (środek ognioodporny 4)
FR-4 (Flame Retardant 4) jest jednym z najpopularniejszych materiałów dielektrycznych do produkcji płytek drukowanych. Jest to materiał kompozytowy FC wykonany ze wzmocnionego włókna szklanego i spoiwa z żywicy epoksydowej. FR-4 ma dobrą rezystywność elektryczną, właściwości mechaniczne i odporność na ogień, dlatego może być stosowany w wielu zastosowaniach. Niemniej jednak jego zastosowania są nieco ograniczone w systemach o wysokiej częstotliwości i dużej prędkości, ponieważ stała dielektryczna fr4 jest stosunkowo wysoka.
Dalsza lektura: Kompleksowy przewodnik po przewodności cieplnej FR4
CEM-1, CEM-2 i CEM-3
CEM-1, CEM-2 i CEM-3 to kompozytowe materiały dielektryczne wypełnione ceramiką, powszechnie stosowane w urządzeniach o wysokiej częstotliwości i szybkie PCB. Materiały te mają niższą stałą dielektryczną i współczynnik rozproszenia niż FR-4, co powoduje mniejsze straty sygnału i degradację sygnału. Wykazują również duże współczynniki termiczne, które pomagają w zarządzaniu ciepłem wytwarzanym w systemie. Jednak materiały te są zazwyczaj drogie i wymagają specjalistycznych procesów produkcyjnych.
Politetrafluoroetylen (PTFE)
Politetrafluoroetylen (PTFE) to materiał fluoropolimerowy, który ma właściwości elektryczne, takie jak stała dielektryczna i współczynnik rozproszenia. Materiały dielektryczne wykonane z polimeru PTFE są idealne do obwodów o wysokiej częstotliwości i transmisji sygnałów mikrofalowych oraz obwodów, które mają być używane w agresywnych chemicznie środowiskach i w wysokich temperaturach. Mogą jednak kosztować więcej i mieć bardzo ograniczone właściwości mechaniczne w porównaniu z innymi materiałami.
Poliamid
Poliimid to dielektryczny materiał PCB, który może być stosowany w zastosowaniach o wysokiej temperaturze roboczej ze względu na swoją stabilność termiczną, niską zdolność do wchłaniania wilgoci i dobrą wartość dielektryczną. Ten rodzaj materiału jest powszechnie stosowany w obwody elastyczne i sztywno-giętkie i w obwodach, które muszą być używane w wysokich temperaturach lub narażone na agresywne środki chemiczne. Mogą być jednak droższe, a czasami ich przetwarzanie jest bardziej złożone.
Właściwości, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze materiałów dielektrycznych PCB
Wybierając materiały dielektryczne do płytek drukowanych, należy wziąć pod uwagę 4 najważniejsze właściwości:
Właściwości elektryczne
- Stała dielektryczna (DK)
Pokazuje, ile energii elektrycznej materiał może utrzymać na podstawie stałej dielektrycznej. Ta właściwość wpływa na prędkość sygnałów, jak również impedancję; a niskie wartości DK są pożądane w zastosowaniach o dużej prędkości.
- Współczynnik rozproszenia (DF)
Współczynnik stratności określa straty dielektryczne, a wartości charakteryzujące się niższymi wartościami DF nadają się do zastosowań o wysokiej częstotliwości. Wpływa on na tłumienie sygnału i ilość wydajności.
- Wytrzymałość elektryczna
Wytrzymałość elektryczna odnosi się do intensywności naprężenia elektrycznego, jakie materiał jest w stanie wytrzymać, zanim ulegnie uszkodzeniu. Jest to bardzo ważne w przypadku zastosowań wysokiego napięcia, aby zapewnić niezawodność i bezpieczeństwo.
Właściwości termiczne
- Temperatura zeszklenia (Tg)
Jest to temperatura, w której polimer zmienia się ze stanu twardego i szklistego w stan miękki i gumowaty. W zastosowaniach mechanicznych, zwłaszcza tych, które działają w wysokich temperaturach, istnieje tendencja do używania materiałów o wysokiej Tg.
- Współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE)
CTE definiuje zakres rozszerzalności lub kurczenia się materiału w przypadku zmian temperatury. Innym czynnikiem jest próba uczynienia CTE materiałów dielektrycznych stosowanych na równi z miedzią w celu zminimalizowania naprężeń mechanicznych i awarii podczas ciągłego użytkowania lub cykli termicznych.
- Przewodność cieplna
Przewodność cieplna jest miarą tego, jak skutecznie materiał może przenosić przepływy ciepła z obszaru o wysokiej temperaturze do obszaru o niskiej temperaturze. Zatem zwiększona przewodność cieplna łagodzi problem wydajnego rozpraszania ciepła, co jest ważne zwłaszcza w przypadku obwodów elektronicznych.
Właściwości chemiczne
- Wchłanianie wilgoci
Absorpcja wilgoci odnosi się do ilości wody, którą dany materiał jest w stanie wchłonąć. Preferowana jest mniejsza wilgotność, aby nie narażać właściwości elektrycznych i cech, takich jak rozwarstwianie.
- Odporność chemiczna
Ta właściwość mierzy zdolność materiału do wytrzymywania działania płynów lub rozpuszczalników, kwasów i innych chemikaliów. Jest to ważny parametr do pomiaru, czy PCB może być używany w trudnych warunkach.
Podsumowanie
Wybór materiału dielektrycznego w płytce drukowanej jest bardzo ważnym czynnikiem. Może on znacząco wpłynąć na wydajność płytki, jej niezawodność i przydatność do zamierzonego celu. Jak wspomniano w tym blogu, każdy materiał dielektryczny ma inne właściwości, w tym elektryczne, termiczne, mechaniczne i chemiczne. Nadal nie jesteś pewien, który materiał będzie idealny do Twojego projektu? Skontaktuj się z namiNasi inżynierowie są zawsze dostępni, aby pomóc Ci i udzielić najlepszych porad w wyborze odpowiedniego materiału dielektrycznego płytki PCB.
