Seleção de PCB e laminado para fabricação

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Esta apresentação discutirá a seleção eficiente de materiais para PCB. Antes de começar a seleção, há muitos fatores a serem considerados. Verifique se as características do material atendem aos requisitos específicos da placa e à aplicação final. Hoje, focaremos nas propriedades dielétricas, custo e capacidade de fabricação de materiais adequados para projetos de PCB em alta velocidade.

Um dos principais problemas que enfrentamos ao fabricar PCBs é o excesso de confiança frequente dos projetistas de PCBs nas folhas de dados do material. Não me interpretem mal, as folhas de dados fornecem aos designers uma descrição completa das propriedades elétricas de um material, e as propriedades elétricas são a principal consideração para aplicações de alta velocidade. No entanto, as folhas de dados são insuficientes quando se consideram várias preocupações de fabricação no mundo real, e as preocupações de fabricação no mundo real são importantes porque afetam o rendimento e o custo.

Como escolho um material PCB?

5 categorias básicas de materiais para PCB

Em relação à seleção de material de PCB para PCB de alta velocidade, quais são as principais preocupações que devem ser consideradas em relação a um, capacidade de fabricação e dois, custo? Vamos dar uma olhada neste gráfico. Por conveniência, classificamos materiais importantes em baldes com base nas propriedades de perda de sinal do material.

As 5 categorias básicas de materiais para PCB

À esquerda, temos materiais como o FR-4. Estes são os materiais padrão do dia-a-dia, como os da China, como Nan Ya, e os dos EUA, como Isola. FR-4 são materiais padrão que podem ser usados ​​em qualquer aplicação, mas também são os laminados com menos perdas. Também pode haver uma infinidade de outros problemas elétricos e mecânicos e, se você estiver tendo problemas com o material FR-4, envie-me um e-mail. Eu adoraria ajudar.

À medida que avançamos no gráfico, você pode ver os materiais de PCB para aplicações com menos perdas e maior velocidade. O Rogers 4350 tem desempenho semelhante ao Megtron 6 e Itera, portanto, esses são os materiais que você deve considerar quando precisar desse nível de desempenho.

Como escolher laminados PCB?

A seleção do material PCB depende de várias características do material dielétrico usado. Essas propriedades incluem:

  • Temperatura de transição vítrea (Tg) – a temperatura na qual o material se transforma de um estado sólido para um estado viscoso é chamada de temperatura de transição vítrea. Este é um parâmetro crítico para a seleção de material da placa de circuito impresso.
  • Temperatura de decomposição térmica (Td) – a temperatura na qual o material se decompõe quimicamente é chamada temperatura de decomposição térmica.
  • Constante dielétrica (Dk) – a velocidade na qual um sinal elétrico viaja no meio dielétrico é chamada de constante dielétrica. Este é um parâmetro crítico para a seleção de material da placa de circuito impresso.
  • Tangente de perda (tanδ) – a perda de potência de um sinal que passa por uma linha de transmissão em um material dielétrico é chamada tangente de perda.
  • Coeficiente de Expansão Térmica (CTE) – a mudança nas dimensões de um material como resposta a uma mudança na temperatura é chamada de coeficiente de expansão térmica
Coeficiente de Curva de Expansão Térmica

Coeficiente de Curva de Expansão Térmica

  • Condutividade térmica (Tc) – a propriedade de um material para conduzir calor é chamada de condutividade térmica.
  • Conformidade com RoHS – a minimização ou eliminação de substâncias perigosas, como chumbo, é medida como conformidade com os padrões RoHS.
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Perda de sinal e frequência de operação

Então, as questões surgem. Quais propriedades do material da placa de circuito impresso são responsáveis ​​pela diferença no desempenho elétrico da placa de circuito impresso e como essas diferenças afetam o custo do material da placa de circuito impresso? Como se vê, existem três fatores principais para avaliar quando se trata de desempenho do material para projetos de PCB em alta velocidade. Qual é a perda de sinal na frequência operacional? Você deve se preocupar com o efeito de tecelagem e quão fácil é o material para fabricar seu empilhamento na construção?

Perda de sinal e frequência de operação

Primeiro, vamos dar uma olhada na relação entre perda de sinal e frequência de operação. Como você pode ver no gráfico, há uma correlação direta entre perda e frequência do sinal. Ao mesmo tempo, também podemos ver que certos materiais têm menos perdas do que outros. Essa foi a base que usamos para criar nosso balde de classificação de materiais no gráfico anterior. Este gráfico mostra quais materiais poderiam ter um desempenho elétrico melhor em velocidades mais altas.

Custo do material

Em seguida, vamos comparar o custo direto com base em nossas classificações de materiais. Como você pode ver no gráfico, menos materiais com perdas custam mais. Você precisará decidir quais materiais funcionam melhor para seu projeto específico. Como você pode ver, o material Rogers 4350B é superior ao do Megtron 6 ou Itera, embora o desempenho elétrico seja semelhante. Na categoria de microondas, o Taconic RF-35 é cerca de 30% mais barato pelo mesmo desempenho que outros materiais nesta categoria.

Materiais não PTFE (politetrafluoretileno / teflon)

Vamos aprofundar os materiais que não são de PTFE. Voltaremos aos materiais de PTFE daqui a pouco. Agora, todos esses materiais apresentam desempenho semelhante e com custos semelhantes, mas o que justifica as diferenças de custo e qual é a vantagem de trabalhar com materiais de custo mais alto?

Trama solta e trama apertada

Primeiro, precisamos entender a construção do material, e os efeitos do vidro na impedância característica também devem ser entendidos. Uma maneira de conseguir isso é entender o efeito de trama e os diferentes tipos de pano de vidro. Como você pode ver, diferentes construções de vidro afetarão a distribuição DK. Uma placa com uma trama solta terá maior variação na espessura da placa e maior variação na distribuição da DK. No entanto, uma trama apertada terá uma espessura mais consistente da placa e uma distribuição mais uniforme da DK. A DK efetiva do material permanece a mesma que o sinal atravessa o dielétrico.

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O que é realmente importante observar da perspectiva de fabricação é que é mais fácil fabricar uma placa com um tecido mais apertado. Quando o tecido de vidro é mais consistente, a perfuração a laser mecânica também se torna mais consistente.

Vidro Si vs Vidro E

Além do tecido de vidro, existem outros dois tipos de vidro para escolher, vidro Si ou E-glass. E-glass é o tipo de vidro predominante. Varia a espessura entre 1,3 mils e 6,8 mils. Olhando para o gráfico, você pode ver a DK do E-glass em 5 gigahertz é 6,5, enquanto o DF é 0,006. Agora, o vidro Si é muito mais puro que o vidro E, e, como resultado, a DK de 5 gigahertz para o vidro Si é 4,5 e o DF é 0,004. O custo do laminado comparado ao E-glass é cerca de 15% maior, vale a pena, se você me perguntar.

Quanto custa uma folha de laminado? – Custos indiretos

Agora, vamos ver alguns custos indiretos que devem ser considerados durante a seleção de material de PCB. É muito importante lembrar que não podemos apenas olhar o custo do material por si só. De fato, a maior parte do custo total não provém de custos diretos de material, mas do custo do processo de PCB associado a esse material de PCB.

Um dos principais fatores que impactam os custos na fabricação é a laminação. Os materiais nas categorias de perda média, baixa e extremamente baixa geralmente fabricam da mesma maneira que o FR-4, embora alguns materiais sejam mais estáveis ​​dimensionalmente que outros, e outros sejam mais fáceis de laser.

Por outro lado, os materiais na categoria de micro-ondas de RF não são registrados como materiais da categoria que não são de PTFE e, portanto, tornam-se muito difíceis de fabricar, especialmente em empilhamento de várias camadas. Essa dificuldade ocorre principalmente porque os materiais de PTFE têm um problema de alongamento. Geralmente, usamos a lavagem para preparar os materiais antes da laminação, mas para esta categoria de materiais, a lavagem é um problema. Descobrimos com certeza como obter uma adesão confiável após a laminação, mas ainda é difícil.

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Principais considerações de fabricação

Então, a seguir, vamos discutir as principais considerações de fabricação ao lidar com empilhamento de PCB híbrido. Primeiro, verifique se todos os materiais em sua pilha híbrida são compatíveis com seu ciclo de laminação. Alguns materiais precisam de temperaturas e pressões mais altas do que outros no processo de laminação. Antes de enviar seu design, verifique as folhas de dados do material para confirmar se estão sendo usados ​​materiais compatíveis.

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A segunda consideração em empilhamento híbrido são os parâmetros de perfuração para a formação adequada do furo. Os avanços e velocidades das brocas variam de acordo com os materiais no empilhamento. Se você tem um empilhamento que é uma construção pura, o que significa que é todo o mesmo material, em comparação com uma construção híbrida, os avanços e as velocidades precisam ser ajustados. Por exemplo, certas configurações geram muito calor e, se o material não suportar o calor, pode haver alguma deformação. Você também deve levar em consideração que diferentes materiais perfuram de maneira diferente. Rogers, por exemplo, desgasta as brocas mais rapidamente e, portanto, afeta o custo.

Após a perfuração e antes do cuposit, existe a preparação da parede do furo. Materiais diferentes requerem plasma diferente. Um pequeno segredo sujo entre os fabricantes é que nem todos refinamos nosso processo de acordo com o material. Pode haver diretrizes de processo por categoria geral, mas para confiabilidade absoluta e entrega pontual, os fabricantes devem refinar seu processo por material.

Diretrizes de empilhamento de PCBs para materiais mistos

Em seguida, revisaremos três empilhamento e abordaremos algumas diretrizes básicas de empilhamento para materiais misturados. O empilhamento número um é um empilhamento puro da Rogers usando materiais Rogers 3000. É uma construção multicamada que requer tempos de permanência mais longos em temperaturas mais altas. Esse processo de laminação é conhecido como ligação por fusão. Apenas alguns fabricantes selecionados, como a Sierra Circuits, têm o equipamento e os conhecimentos necessários para executar esta operação.

O empilhamento número dois é um empilhamento híbrido usando materiais Rogers e Isola. Os designers usam esse método para economizar no custo do material e auxiliar na fabricação de empilhamento de várias camadas. O Rogers não é adequado para o processo de laminação seqüencial, e existem outros fornecedores de materiais, como Taconic e Isola, que fabricam materiais com desempenho semelhante ao Rogers e não possuem essas limitações. No passado, era difícil controlar a espessura da pressão desses materiais de estágio B. Agora, com melhores equipamentos, melhores controles de processos, os clientes podem esperar consistência e colher os benefícios.

Terceiro e último é um empilhamento composto exclusivamente de materiais Taconic. Esses materiais, embora baseados em pano de vidro, têm desempenho semelhante aos materiais de Rogers e são muito mais fáceis de fabricar. Com o pano de vidro, os materiais também se tornam dimensionalmente estáveis.

Diretrizes de empilhamento híbrido

Agora, vamos discutir algumas diretrizes de empilhamento híbrido. Recomendamos o seguinte ao lidar com uma construção híbrida. Use o material de alto desempenho como núcleo. Laminado com pré-impregnado FR-4. Equilibre a porção FR-4 e não use um filme dielétrico ou de ligação alta de Tg com um material menor de Tg.

PCB rígido rígido

PCB rígido rígido

Então, aí está. Revisamos como selecionar materiais de alta velocidade com base no desempenho e custo, incluindo capacidade de fabricação, e revisei três empilhamento relativamente complexo.

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