Quando si progetta una scheda PCB, i progettisti devono definire i materiali del materiale della scheda richiesti per la costruzione di PCB. Pertanto, i progettisti considerano principalmente due proprietà termiche ed elettriche fondamentali, seguite dalle proprietà meccaniche.

Proprietà termiche del materiale PCB

Le proprietà termiche di un materiale ne determinano la capacità di resistere a temperature estreme mantenendo inalterate le sue caratteristiche. Le seguenti sono le proprietà termiche che devono essere considerate quando si selezionano i materiali PCB.

Temperatura di transizione vetrosa (Tg)

Temperatura di transizione vetrosa (Tg) è definito come l'intervallo di temperatura in cui le proprietà del materiale di un PCB subiscono la transizione da uno stato rigido (vetroso) a uno stato deformabile (flessibile) poiché le catene polimeriche iniziano a muoversi. La figura 1 di seguito mostra il fenomeno di fusione e rammollimento del substrato. Tra la temperatura di transizione vetrosa (Tg) e la temperatura di fusione (Tm), il supporto raggiunge uno stato gommoso. Quando la temperatura è inferiore a Tg, i materiali per la costruzione di PCB si indurirannoe le prestazioni del supporto torneranno allo stato originale. Se la temperatura è superiore a Tm, il substrato perderà rapidamente la sua forma e la sua resistenza poiché il materiale si trasforma da solido a liquido viscoso.

proprietà del materiale del circuito stampato

Figura 1: Lo stato del substrato

Temperatura di decomposizione (Td)

Temperatura di decomposizione (Td) si riferisce alla temperatura alla quale il substrato ha una decomposizione chimica, che fa perdere al substrato almeno il 5% della sua massa. Vale la pena notare che se la temperatura del supporto raggiunge o supera Td, le successive modifiche delle sue proprietà sono irreversibili. Pertanto, è necessario scegliere un materiale che possa funzionare bene in un intervallo di temperatura superiore a Tg ma molto inferiore a Td. Le Td della maggior parte delle proprietà dei materiali PCB è superiore a 320, il che è favorevole poiché la maggior parte delle temperature di saldatura sono comprese tra 200 e 250°C.

Coefficiente di dilatazione termica (CTE)

Il tasso di espansione del materiale quando si riscalda è chiamato coefficiente di espansione termica (CTE). L'unità di CTE è in ppm (parti per milione)/°C. Generalmente, il CTE del substrato dielettrico è superiore a quello del rame, il che porta a problemi di interconnessioni quando il PCB è riscaldato. Quando la temperatura del materiale dielettrico sale al di sopra di Tg, sale anche il CTE. Poiché il vetro intrecciato limita il materiale nelle direzioni X e Y, anche se la temperatura del materiale è superiore a Tg, il CTE lungo gli assi X e Y non cambierà molto. Di conseguenza, il materiale si espanderà nella direzione Z, ma il CTE lungo questo asse dovrebbe essere il più basso possibile.

Conduttività termica

La conducibilità termica (k) è definita come la capacità di una selezione di materiali PCB di condurre il calore. In altre parole, maggiore è la conducibilità termica, maggiore è il trasferimento di calore; mentre minore è la conducibilità termica, minore è il trasferimento di calore. L'espressione della conducibilità termica è:

K= (Q * d) / (A * ΔT)

Q, d, A, ΔT e rappresentano rispettivamente la quantità di calore trasferito, la distanza tra due piani isotermici, l'area della superficie e la differenza di temperatura. Rispetto alla conduttività termica del rame (386 W/M℃), la conduttività termica della maggior parte dei materiali dielettrici è inferiore, compresa tra 0.3 e 0.6 W/M℃. Questo potrebbe spiegare perché i substrati di rame assorbono più calore dei substrati dielettrici.

Proprietà elettriche

Costante dielettrica o permittività relativa (Er o Dk)

Costante dielettrica o permittività relativa (Er o Dk) è definito come il rapporto tra la permittività del materiale e la permittività del vuoto. La maggior parte dei materiali per le costanti dielettriche di costruzione PCB sono comprese tra 2.5 e 4.5. La costante elettrica cambia con la frequenza ed è solitamente inversamente proporzionale alla frequenza. Quei materiali che mantengono una costante dielettrica relativamente stabile su un'ampia gamma di frequenze sono adatti per applicazioni ad alta frequenza

Perdita dielettrica tangente o fattore di dissipazione (Tan o Df)

La perdita dielettrica si riferisce alla dissipazione di energia elettromagnetica intrinseca dei materiali dielettrici. Può anche essere parametrizzato in base alla corrispondente tangente di perdita (Tan ) che è un angolo di fase tra la resistenza e la corrente reattiva nel dielettrico. L'intervallo del fattore di dissipazione Df va da 0.001 a 0.030.

Proprietà meccaniche del materiale PCB

Modulo di trazione (di Young) o modulo elastico

Il modulo di trazione è un rapporto tra la sollecitazione e la deformazione lungo lo stesso asse all'interno dell'intervallo di sollecitazione applicabile alla legge di Hooke. Maggiore è il valore del modulo di Young, più rigido è il materiale del substrato. L'espressione è:

E = sforzo / deformazione = (F/A) / [(L – Lo) /L]

F, A, L e Lo sono rispettivamente la forza applicata al materiale, l'area della sezione trasversale del materiale, la lunghezza originale del materiale e la lunghezza del materiale dopo essere stato allungato.

Resistenza alla flessione

La resistenza alla flessione chiamata anche resistenza alla flessione o resistenza alla rottura trasversale, è definita come la sollecitazione prima che il materiale del PCB ceda quando viene caricato al centro o supportato all'estremità. L'unità di resistenza alla flessione è in kg/m2 o psi.

 

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Controlla anche: Substrato PCB

Riferimento:

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

Circuiti, S. (nd). Guida alla progettazione del materiale PCB. 1-30.

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