Ao projetar uma placa PCB, os projetistas devem definir os materiais de material da placa necessários para a construção do PCB. Portanto, os projetistas consideram predominantemente duas propriedades térmicas e elétricas fundamentais, seguidas pelas propriedades mecânicas.
Propriedades Térmicas do Material PCB
As propriedades térmicas de um material determinam sua capacidade de suportar temperaturas extremas, mantendo suas características. A seguir estão as propriedades térmicas que precisam ser consideradas ao selecionar materiais PCB.
Temperatura de transição vítrea (Tg)
Temperatura de transição vítrea (Tg) é definida como a faixa de temperatura na qual as propriedades de um material pcb experimentam a transição de um estado rígido (vítreo) para um estado deformável (flexível) desde que as cadeias de polímeros começam a se mover. A Figura 1 abaixo demonstra o fenômeno de fusão e amolecimento do substrato. Entre a temperatura de transição vítrea (Tg) e a temperatura de fusão (Tm), o substrato atinge um estado de borracha. Uma vez que a temperatura é inferior a Tg, os materiais para a construção do PCB endurecerão, e o desempenho do substrato retornará ao seu estado original. Se a temperatura for superior a Tm, o substrato perderá rapidamente sua forma, bem como sua resistência, uma vez que o material se transforma de sólido em líquido viscoso.
Figura 1: O estado do substrato
Temperatura de decomposição (Td)
Temperatura de decomposição (Td) refere-se à temperatura na qual o substrato sofre uma decomposição química, que faz com que o substrato perca pelo menos 5% de sua massa. Vale a pena notar que se a temperatura do substrato atingir ou exceder Td, as alterações subsequentes em suas propriedades são irreversíveis. Portanto, é necessário escolher um material que possa funcionar bem em uma faixa de temperatura superior a Tg mas muito inferior a Td. O Td da maioria das propriedades do material PCB é superior a 320, o que é favorável, pois a maioria das temperaturas de soldagem está na faixa de 200-250°C.
Coeficiente de expansão térmica (CTE)
A taxa de expansão do material quando aquece é chamada de coeficiente de expansão térmica (CTE). A unidade de CTE está em ppm (partes por milhão)/°C. Geralmente, o CTE do substrato dielétrico é maior que o do cobre, o que leva a problemas de interconexões quando o PCB é aquecido. À medida que a temperatura do material dielétrico aumenta acima de Tg, o CTE também sobe. Como o vidro tecido restringe o material nas direções X e Y, mesmo que a temperatura do material seja superior a Tg, o CTE ao longo dos eixos X e Y não mudará muito. Como resultado, o material se expandirá na direção Z, mas o CTE ao longo desse eixo deve ser o mais baixo possível.
A condutividade térmica
A condutividade térmica (k) é definida como a capacidade de uma seleção de material PCB para conduzir calor. Em outras palavras, quanto maior a condutividade térmica, maior a transferência de calor; enquanto quanto menor a condutividade térmica, menor a transferência de calor. A expressão da condutividade térmica é:
K= (Q * d) / (A * ΔT)
Q, d, A, ΔT e representam a quantidade de calor transferida, a distância entre dois planos isotérmicos, a área da superfície e a diferença de temperatura, respectivamente. Comparada com a condutividade térmica do cobre (386W/M℃), a condutividade térmica da maioria dos materiais dielétricos é menor, variando de 0.3 a 0.6W/M℃. Isso pode explicar por que os substratos de cobre absorvem mais calor do que os substratos dielétricos.
Propriedades Elétricas
Constante dielétrica ou permissividade relativa (Er ou Dk)
Constante dielétrica ou permissividade relativa (Er ou Dk) é definido como a razão entre a permissividade do material e a permissividade do vácuo. A maioria dos materiais para constantes dielétricas de construção de PCB estão entre 2.5 a 4.5. A constante elétrica muda com a frequência e geralmente é inversamente proporcional à frequência. Aqueles materiais que mantêm uma constante dielétrica relativamente estável em uma ampla faixa de frequência são adequados para aplicações de alta frequência
Tangente de perda dielétrica ou fator de dissipação (Tan ou Df)
A perda dielétrica refere-se à dissipação de energia eletromagnética inerente de materiais dielétricos. Também pode ser parametrizado de acordo com a tangente de perda correspondente (Tan ) que é um ângulo de fase entre a resistência e a corrente reativa no dielétrico. A faixa do fator de dissipação Df é de 0.001 a 0.030.
Propriedades Mecânicas do Material PCB
Módulo de tração (de Young) ou módulo de elasticidade
O módulo de tração é uma razão entre a tensão e a deformação ao longo do mesmo eixo dentro da faixa de tensão aplicável à lei de Hooke. Quanto maior o valor do módulo de Young, mais rígido é o material do substrato. A expressão é:
E = tensão / deformação = (F/A) / [(L – Lo) /L]
F, A, L e Lo são a força aplicada no material, a área da seção transversal do material, o comprimento original do material e o comprimento do material após ser esticado, respectivamente.
Resistência à flexão
A resistência à flexão, também chamada de resistência à flexão ou resistência à ruptura transversal, é definida como a tensão antes que o material PCB ceda quando carregado no centro ou apoiado na extremidade. A unidade de resistência à flexão é em kg/m2 ou psi.
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Verifique também: Substrato PCB
Referência:
https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/glass-transition-temperature
Circuits, S. (sd). Guia de design de material de PCB. 1-30.