Wie wählt man Materialien für die Leiterplattenkonstruktion aus?

Beim Entwerfen einer Leiterplatte müssen Designer die erforderlichen Leiterplattenmaterialien für die Leiterplattenkonstruktion definieren. Daher berücksichtigen Konstrukteure hauptsächlich zwei grundlegende thermische und elektrische Eigenschaften, gefolgt von mechanischen Eigenschaften.

Thermische Eigenschaften des PCB-Materials

Die thermischen Eigenschaften eines Materials bestimmen seine Fähigkeit, extremen Temperaturen standzuhalten und gleichzeitig seine Eigenschaften beizubehalten. Im Folgenden sind die thermischen Eigenschaften aufgeführt, die bei der Auswahl von PCB-Materialien berücksichtigt werden müssen.

Glasübergangstemperatur (T_g)

Glasübergangstemperatur (T_g) abgestimmt ist, lautet definiert als der Temperaturbereich, in dem die Materialeigenschaften einer Leiterplatte von einem starren (glasartigen) Zustand in einen verformbaren (flexiblen) Zustand übergehen, da sich Polymerketten zu bewegen beginnen. Abbildung 1 unten zeigt das Schmelz- und Erweichungsphänomen des Substrats. Zwischen der Glasübergangstemperatur (T_g) und die Schmelztemperatur (T_m) erreicht das Substrat einen gummiartigen Zustand. Sobald die Temperatur niedriger als T ist_g, härten die Materialien für den Leiterplattenbau aus, und die Leistung des Substrats kehrt in seinen ursprünglichen Zustand zurück. Ist die Temperatur höher als T_m, verliert das Substrat schnell seine Form sowie seine Festigkeit, da sich das Material von fest zu einer viskosen Flüssigkeit umwandelt.

Abbildung 1: Zustand des Substrats

Zersetzungstemperatur (T_d)

Zersetzungstemperatur (T_d) bezieht sich auf die Temperatur, bei der das Substrat eine chemische Zersetzung erfährt, wodurch das Substrat mindestens 5 % seiner Masse verliert. Es ist erwähnenswert, dass wenn die Temperatur des Substrats T . erreicht oder überschreitet_d, sind die nachfolgenden Änderungen seiner Eigenschaften irreversibel. Daher ist es notwendig, ein Material zu wählen, das in einem Temperaturbereich höher als T . gut funktionieren kann_g aber viel niedriger als T_d. Die T_d der meisten PCB-Materialeigenschaften ist höher als 320, was günstig ist, da die meisten Löttemperaturen im Bereich von 200-250°C liegen.

Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE)

Die Ausdehnungsgeschwindigkeit des Materials bei Erwärmung wird als Wärmeausdehnungskoeffizient (WAK) bezeichnet. Die Einheit des CTE ist in ppm (parts per million)/°C. Im Allgemeinen ist der CTE des dielektrischen Substrats höher als der von Kupfer, was beim Erhitzen der PCB zu Verbindungsproblemen führt. Wenn die Temperatur des dielektrischen Materials über T . steigt_g, der CTE steigt ebenfalls. Da das gewebte Glas das Material in X- und Y-Richtung einschränkt, auch wenn die Temperatur des Materials höher als T . ist_g, ändert sich der CTE entlang der X- und Y-Achse nicht wesentlich. Dadurch dehnt sich das Material in Z-Richtung aus, der WAK entlang dieser Achse sollte jedoch möglichst gering sein.

Wärmeleitfähigkeit

Die Wärmeleitfähigkeit (k) ist definiert als die Fähigkeit eines ausgewählten PCB-Materials, Wärme zu leiten. Mit anderen Worten, je höher die Wärmeleitfähigkeit, desto höher die Wärmeübertragung; während je niedriger die Wärmeleitfähigkeit ist, desto geringer ist die Wärmeübertragung. Der Ausdruck der Wärmeleitfähigkeit ist:

K= (Q * d) / (A * T)

Q, d, A, ΔT und repräsentieren die übertragene Wärmemenge, den Abstand zwischen zwei isothermen Ebenen, die Fläche der Oberfläche bzw. die Temperaturdifferenz. Verglichen mit der Wärmeleitfähigkeit von Kupfer (386 W/M℃) ist die Wärmeleitfähigkeit der meisten dielektrischen Materialien niedriger und reicht von 0.3 bis 0.6 W/M℃. Dies kann erklären, warum Kupfersubstrate mehr Wärme abführen als dielektrische Substrate.

Elektrische Eigenschaften

Dielektrizitätskonstante oder relative Permittivität (E_r oder D_k)

Dielektrizitätskonstante oder relative Permittivität (E_r oder D_k) ist definiert als das Verhältnis der Permittivität des Materials zur Permittivität des Vakuums. Die Dielektrizitätskonstanten der meisten Materialien für den Leiterplattenbau liegen zwischen 2.5 und 4.5. Die elektrische Konstante ändert sich mit der Frequenz und ist normalerweise umgekehrt proportional zur Frequenz. Für Hochfrequenzanwendungen sind solche Materialien geeignet, die über einen weiten Frequenzbereich eine relativ stabile Dielektrizitätskonstante aufrechterhalten

Dielektrischer Verlustfaktor oder Verlustfaktor (Tan oder D_f)

Der dielektrische Verlust bezieht sich auf die inhärente elektromagnetische Energiedissipation dielektrischer Materialien. Er kann auch gemäß dem entsprechenden Verlusttangens (Tan) parametrisiert werden, der ein Phasenwinkel zwischen Widerstand und Blindstrom im Dielektrikum ist. Der Bereich des Verlustfaktors D_f von 0.001 bis 0.030 beträgt.

Mechanische Eigenschaften des PCB-Materials

Zugmodul (Young's) oder Elastizitätsmodul

Der Zugmodul ist ein Verhältnis der Spannung zur Dehnung entlang derselben Achse innerhalb des Spannungsbereichs, der auf das Hookesche Gesetz anwendbar ist. Je größer der Wert des Young-Moduls ist, desto steifer ist das Substratmaterial. Der Ausdruck lautet:

E = Spannung / Dehnung = (F/A) / [(L – Lo) /L]

F, A, L und Lo sind die auf das Material ausgeübte Kraft, die Querschnittsfläche des Materials, die ursprüngliche Länge des Materials bzw. die Länge des Materials nach dem Strecken.

Biegefestigkeit

Die Biegefestigkeit, auch Biegefestigkeit oder Querbruchfestigkeit genannt, ist definiert als die Spannung, bevor das PCB-Material nachgibt, wenn es in der Mitte belastet oder am Ende abgestützt wird. Die Einheit der Biegefestigkeit ist in kg/m² oder psi.

 

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Überprüfen Sie auch: PCB-Substrat

Referenz:

https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/glass-transition-temperature

Schaltungen, S. (nd). Leitfaden für PCB-Materialdesign. 1-30.

(https://www.protoexpress.com/pcb/)