Diferentes tipos de substrato de PCB para seu projeto

O primeiro e mais importante passo é escolher o material de substrato de PCB correto para a fabricação de PCBs. Os fabricantes utilizam diversos tipos de substratos com propriedades variadas. Este artigo explica como escolher o material de substrato de PCB correto para o seu projeto. Além disso, você aprenderá sobre os diferentes tipos de substrato de PCB.

Substratos de PCB: Todas as principais propriedades do material dielétrico

Este material permite a passagem de uma quantidade mínima de eletricidade do circuito, pois existe uma camada isolante entre duas camadas condutoras. Por exemplo, o FR-4 é o tipo mais comum de dielétrico substancial. Você deve considerar suas propriedades antes de escolhê-lo para sua placa de circuito.

Aqui estão as 4 propriedades mais importantes do material dielétrico:

1. Propriedades térmicas

Vamos considerar as propriedades térmicas do material do substrato:

Temperatura de transição do vidro

Faixa de temperatura na qual um estado vítreo ou rígido do substrato de PCB se torna amolecido ou deformável. As propriedades do material retornam aos seus estados originais após o resfriamento. Essa faixa de temperatura pode ser expressa na unidade Tg. E é necessário medir essa temperatura em graus Celsius.

Temperatura de decomposição

Td é uma expressão usada para temperatura de decomposição. É um método de decomposição química em que o material pode perder até 5% da massa. A unidade de medida de Td é ^oC.

Neste processo, as propriedades são irreversíveis. Quando um material de substrato atinge sua temperatura de decomposição, ocorre uma alteração em suas propriedades. Após essa alteração, as propriedades dos materiais não são reversíveis. Por outro lado, as propriedades são reversíveis na temperatura de transição vítrea.

Você deve escolher um material de substrato cuja faixa de temperatura seja menor que Td e maior que Tg. Portanto, a faixa de temperatura pode estar entre 200 e 250 ^oC. Portanto, tente fazer com que o Td seja maior que isso.

Coeficiente de expansão térmica

O CTE mostra a taxa na qual um material de PCB se expande após o aquecimento. Você pode expressar o CTE em partes/milhão. Quando a temperatura do material aumenta mais que a Tg, o CTE também começa a aumentar. A maioria dos substratos possui um CTE maior que o cobre. Isso pode resultar em problemas de interconexão quando a temperatura do PCB aumenta.

O CTE é baixo comparativamente ao longo dos eixos X e Y. A faixa de CTE está entre 10 e 20 ppm por ^oC ao longo desses eixos. Isso ocorre devido ao vidro trançado. Devido a essa restrição do material nesses eixos. Como resultado, não ocorre nenhuma mudança significativa no CTE quando a temperatura ultrapassa Tg.

Devido ao vidro trançado, o material se expande ao longo do eixo Z. Portanto, o valor de CTE deve ser o mais baixo possível ao longo deste eixo. Você deve tentar mantê-lo abaixo de 70 ppm por ^oC. O CTE aumentará quando o material exceder Tg.

Além disso, você também pode localizar a Tg do material usando CTE. Tudo o que você precisa é traçar uma curva de temperatura versus deslocamento.

Condutividade Térmica

Esta propriedade refere-se à condução de calor. Você pode representar o valor da condutividade térmica usando k. Uma baixa condutividade térmica indica baixa transferência de calor e vice-versa. Você pode medir a condutividade térmica de um material em watts por metro ºC.

A maioria dos materiais de substrato de PCB apresenta condutividade térmica entre 0.3 e 0.6 W/M-ºC. Essa condutividade térmica é bem menor em comparação com o cobre. O k do cobre é de cerca de 386 W/M-ºC. Portanto, as camadas planas de cobre absorvem mais calor em comparação com o material dielétrico em uma placa de circuito.

2. Propriedades elétricas

Permissividade relativa da constante dielétrica (Dk ou Er)

É muito importante considerar a constante dielétrica do material para verificar a impedância e a integridade do sinal. Ambos são fatores importantes para o desempenho elétrico em alta frequência. A faixa de Er varia entre 2.5 e 4.5 na maioria dos materiais de substrato de PCB.

O valor da constante dielétrica depende da frequência. Quando a frequência aumenta, seu valor diminui. Além disso, essa variação também depende do tipo de material. O material mais apropriado para aplicações de alta frequência é aquele em que a constante dielétrica permanece praticamente inalterada em uma ampla faixa de frequência.

Fator de Dissipação ou Tangente de Perda Dielétrica (Df Tan δ)

A tangente de perdas do material fornece uma medida da potência perdida devido ao material. Se a tangente de perdas for menor em um material, isso resultará em menor perda de potência. A faixa de Tan δ na maioria dos materiais de placas de circuito é de 0.02. Além disso, o valor de Tan δ pode ser de 0.001 para materiais de baixa perda e alta qualidade. O valor de Tan δ aumenta com o aumento da frequência.

Embora a tangente de perdas não tenha importância significativa para circuitos digitais, ela é importante para altas frequências acima de 1 GHz. Além disso, a tangente de perdas é essencial para sinais analógicos, pois ajuda a determinar o grau de diminuição do sinal.

Resistividade volumétrica

Os fabricantes referem-se à resistividade volumétrica como resistividade elétrica. Ela auxilia na medição do isolamento ou da resistência elétrica do material. Se a resistividade do material for alta, haverá menos movimento de cargas elétricas no circuito. A unidade internacional de resistividade do sistema é Ω-m.

Os isoladores dielétricos apresentam um valor de resistividade muito alto. A faixa de resistividade pode variar de 10⁶ a 10¹⁰ Mega ohm-centímetros. A umidade e a temperatura afetam a resistividade.

Resistividade de superfície – ρS

A resistividade de superfície, ou ρS, inclui a resistência elétrica ou de isolamento do material de uma placa de circuito. Ela também precisa ter um valor muito alto de resistividade de superfície, semelhante à resistividade volumétrica. Portanto, o valor da resistividade de superfície deve estar entre 10⁶ e 10¹⁰ Megaohms por metro quadrado.

Força elétrica

Esta propriedade ajuda a medir a capacidade de resistência do material da placa de circuito. Significa o quanto um material é capaz de resistir a rupturas elétricas ao longo do eixo Z. A unidade internacional do sistema para medir a rigidez dielétrica é Volts/mil. A maioria dos materiais dielétricos tem valores de rigidez dielétrica entre 800 e 1500 Volts/mil.

3. Propriedades quimicas

Especificações de inflamabilidade – UL94

Trata-se de um padrão de inflamabilidade para plásticos, classificando-os do mais baixo ao mais alto retardante de chamas. Portanto, é muito útil para testes em aparelhos plásticos. O Underwriters Laboratories (UL) define este padrão. Aqui estão alguns requisitos essenciais deste padrão:

1. Os corpos de prova com combustão flamejante não queimarão no máximo 10 segundos após a aplicação da chama de teste.
2. O tempo total de combustão não será superior a 50 segundos. Este tempo é para as dez aplicações de chamas do conjunto de cinco espécimes.

• Os espécimes não queimarão até o grampo de fixação com combustão incandescente.

1. Além disso, não pingará elementos inflamáveis ​​que inflamem o algodão cirúrgico esponjoso e seco. O algodão está 300 mm abaixo das amostras de teste.
2. Depois do 2^ndremoção da chama de teste, os corpos de prova podem não apresentar combustão brilhante que permaneça por cerca de 20 segundos.

Absorção de umidade

Trata-se da capacidade de resistência à água de um material de placa de circuito. É possível observar o aumento percentual no peso de uma placa de circuito após a absorção de água. Além disso, é possível calcular essa porcentagem usando diferentes métodos de teste. A maioria dos materiais consegue absorver água entre 0.01% e 0.20%.

A absorção de umidade pode afetar diferentes propriedades do material da placa de circuito. Por exemplo, pode afetar as propriedades elétricas e térmicas do material. Além disso, afeta a capacidade de resistência do filamento do ânodo condutor quando energizado na placa de circuito.

Resistência ao cloreto de metileno

Ajuda a medir a capacidade de resistência química da placa. Em especial, você pode verificar a capacidade de resistência de uma placa à absorção de cloreto de metileno.

Você pode representar seu valor em porcentagem. Você notará o aumento de peso após a absorção de cloreto de metileno. Isso ocorre sob condições controladas. A maior parte do material do substrato de PCB tem capacidade de resistência entre 0.01% e 0.20%, semelhante à absorção de umidade.

4. Propriedades mecânicas

Casca-grossa

Denota a força de ligação entre o material dielétrico e o condutor de cobre. A unidade para expressar a força de descascamento é libras-força por polegada linear. Você pode denotá-la como PLI.

Os testes de resistência à descamação dependem da espessura do substrato da placa de circuito impresso. Por exemplo, você precisa de trilhas de cobre com 1 OZ de espessura para fins de teste. Além disso, você precisa de trilhas de cobre com 32 a 124 mm de largura após o processo padrão de fabricação da placa de circuito. Você pode concluir este processo sob três condições:

• Estresse térmico: Após flutuar a amostra na solda por 10s a 288 ºC.
• Temperatura elevada: Após expor a amostra ao fluido a 125 ºC, ou você pode expô-la ao ar quente.
• Exposição a produtos químicos de processo: Após expor a amostra a uma série de processos químicos e térmicos.

Força Flexural

Ela demonstra a capacidade de um material de suportar tensões mecânicas sem se romper. Seu valor pode ser expresso em kg/metro quadrado ou libra/polegada quadrada.

O mecanismo de teste de resistência à flexão é muito simples. Ele pode ser realizado apoiando uma placa na extremidade e aplicando carga no centro. A norma para placas rígidas e multicamadas é a IPC-4101.

Módulo de Young

Módulo de tração é outro termo para este módulo. Ele denota a resistência do material na placa de circuito. Este módulo mede a relação entre tensão e deformação em uma direção específica. Alguns fabricantes medem a resistência usando este módulo em vez da resistência à flexão. Você pode expressar seu valor em força por unidade de área.

Densidade

Você pode medir a densidade de uma placa de circuito em gramas por centímetro cúbico. Além disso, alguns fabricantes indicam o valor em libras por polegada cúbica.

Tempo para Delaminação

Este fator indica o tempo de resistência de uma placa de circuito à delaminação. A delaminação pode ocorrer devido a choque térmico, umidade ou Tg incorreto no material. Além disso, pode ocorrer devido a um processo de laminação inadequado.

Qual é a melhor maneira de selecionar materiais de substrato de PCB para seu PCB?

Existem diversos tipos de substratos para PCB disponíveis no mercado. A espessura e a resistência desses substratos variam. Portanto, é muito difícil encontrar o substrato de melhor qualidade para suas placas de circuito. Além disso, encontrar um substrato adequado sem conhecimento suficiente pode se tornar uma dor de cabeça.

Não é difícil selecionar os tipos de substrato de PCB adequados às suas necessidades. Você já aprendeu todos os critérios para a seleção do substrato. Considere:

• Propriedades térmicas
• Propriedades elétricas
• Propriedades quimicas
• Propriedades mecânicas

Se você estiver familiarizado com essas propriedades, poderá escolher um substrato de alta qualidade para suas placas de circuito. Além disso, você também deve considerar a espessura do substrato do PCB para sua placa.

Além das propriedades do substrato, você também deve considerar algumas características importantes. Aqui estão algumas características importantes:

Tipos de material de substrato de PCB

As placas de circuito são compostas por duas camadas de material: a superior e a inferior. A camada superior é muito importante para diversos fins, como reações. Além disso, o design da placa de circuito depende dessa película.

Da mesma forma, a camada inferior contribui significativamente para o design. O mercado estimado de substratos é de quase 51 milhões de metros quadrados em todo o mundo. As empresas utilizam diferentes tipos de substratos para PCB.

A maioria dos fabricantes mistura este material com epóxi. No entanto, outros o misturam com mistura BT. A maioria das empresas utiliza diferentes camadas alternativas do material dielétrico, com ou sem reforço.

Aqui estão alguns tipos básicos de substrato de PCB:

O vidro não tecido

Envolve a difusão de microfibras de vidro no substrato. Elas são muito boas em frequências mais altas. No entanto, o fator de dispersão no vidro não tecido não é vantajoso.

Vidro tecido

É outro tipo popular de substrato para PCB. O tecido de vidro trançado é o bloco de construção deste substrato. No entanto, não é bom devido à sua baixa estabilidade térmica e mecânica.

Cheio

Ele vem com uma faixa específica de constante dielétrica. Alguns outros materiais, como a cerâmica, aumentam sua constante dielétrica.

Existem diferentes maneiras de selecionar um substrato para sua placa. A mais importante é contar com a ajuda da competente equipe de engenharia dos fabricantes.

Além disso, você pode categorizar o substrato em 4 categorias diferentes, como segue:

Placa rígida/dura

Os fabricantes o utilizam para manter a forma de uma placa de circuito em seu comprimento. São placas de circuito à base de cerâmica. Ele impede que as placas de circuito dobrem ou adquiram outros formatos.

Placas macias/flexíveis

Devido à sua flexibilidade, podem ser utilizadas em diversos projetos. É possível transformá-las em qualquer objeto ou formato. Os fabricantes utilizam esse tipo de placa quando os objetos precisam ser dobrados. Portanto, as placas flexíveis são opções perfeitas para essa situação.

PCBs flexíveis-rígidos

Para diferentes situações, as empresas combinam placas flexíveis e rígidas para fazer PCBs flexíveis-rígidos. Elas contêm múltiplas camadas, como a poliamida. O principal uso das placas flexíveis-rígidas é em aplicações aeroespaciais e militares. Além disso, elas podem ser usadas em diversos equipamentos médicos.

FR-4

É o substrato mais acessível e comum atualmente, sendo um laminado de fibra de vidro e epóxi. FR é uma abreviação de retardante de fogo e um isolante excelente. O material contém uma boa quantidade de brometo, um halogênio não reativo.

Tecnologia MOKO – O melhor lugar para substratos de alta qualidade

Depois de ler este artigo detalhado, você já está familiarizado com os requisitos de uma placa de circuito impresso (PCB). Da mesma forma, você sabe quais fatores deve considerar antes de escolher um substrato. Essas informações são muito úteis para escolher um material de substrato de PCB de alta qualidade para seus produtos. O substrato da melhor qualidade proporcionará efeitos de alta qualidade e duradouros.

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