СВЧ материалы для изготовления печатных плат

Ламинат плакированный медью или фольгированный материал (CCL, Copper Clad Laminate)- это тип базового материала для печатной платы (еще его называют ядром платы), который в основном состоит из препрега (слой диэлектрика) и медной фольги, которые были ламинированы и отверждены. Доступны различные материалы с различной толщиной, свойствами эпоксидной смолы и типами стеклоткани. Разработчик должен определить желаемую комбинацию, которая хорошо подходит для его/ее задачи. Процесс создания ламината, плакированного медью, начинается с переплетения стекловолокна (иногда нетканого) для получения стеклоткани, эта ткань пропитывается эпоксидной смолой и полуотверждается, образуя слой препрега. Некоторые материалы дополнены керамикой для увеличения диэлектрической проницаемости, например: RO3010, RO3006, RT/duroid 6010.2 LM, AD1000 и другие. Несколько слоев препрега склеиваются вместе с медной фольгой, образуя ламинат (ламинат с медным покрытием). Выбранный материал подложки будет определять электрические, механические, тепловые и химические свойства печатной платы. Если дизайн требует лучших тепловых характеристик, выберите подложку на керамической основе.

Диэлектрические материалы обеспечивают электрическую изоляцию между проводящими слоями меди. Свойства этих диэлектрических материалов определяют характеристики печатной платы при различных условиях эксплуатации, таких как сверхвысокие частоты и/или экстремально высокие температуры.

Свойства материалов для печатных плат можно разделить на:

Электрические свойства

Тепловые свойства

Химические свойства

Механические свойства

При выборе материалов для изготовления печатных плат конструкторы чаще всего учитывают два основных свойства: тепловое и электрическое. В специальных применениях проектировщик может также учитывать другие свойства, такие как механические и химические.

Диэлектрическая постоянная или относительная диэлектрическая проницаемость (Dielectric constant (Dk) или relative permittivity (Ɛr))

Учет диэлектрической проницаемости материала важен для целостности сигнала и импеданса, которые являются критическими факторами для СВЧ плат. Ɛr для большинства материалов печатных плат находится в диапазоне от 2,5 до 4,5. Диэлектрическая проницаемость зависит от частоты и обычно уменьшается с увеличением частоты; некоторые материалы имеют меньшее изменение относительной диэлектрической проницаемости, чем другие. Материалы, подходящие для высокочастотных применений, — это материалы Roges и AGC (Taconic), диэлектрическая проницаемость которых остается относительно неизменной в широком диапазоне частот — от нескольких сотен МГц до нескольких ГГц. Для более высокочастотных плат предпочтительны более низкие значения Ɛr (от 3,2 до 3,6), которые могут обеспечить материалы RO4350B, RO4003C или RO3035.

Тангенс угла диэлектрических потерь или коэффициент рассеяния (Dielectric loss tangent (Tan δ) или dissipation factor (Df))

Тангенс угла потерь материала определяет меру потерянной мощности сигнала из-за материала. Чем ниже тангенс угла потерь материала, тем меньше будут потери мощности. Tan δ материалов находится в диапазоне от 0,02 для широко используемых материалов до 0,001 для высококачественных материалов с очень низкими потерями. Самый низкий уровень потерь в отрасли у материалов RO3003, RT/duroid 5880, RT/duroid 6035 HTC, RT/duroid 5870, RT/duroid 6002, RF-35TC и TLY5. Он также зависит от частоты – увеличивается с увеличением частоты.

Тепловые свойства материала печатной платы играют важную роль на этапе сборки. Эти тепловые свойства включают в себя:

Температура стеклования (Glass transition temperature Tg, °C): это температурный диапазон, в котором ламинат переходит из стеклообразного жесткого состояния в мягкое деформированное состояние по мере того, как полимерные цепи становятся более подвижными.

Температура разложения (Decomposition temperature Td, °C): это температура, при которой материал химически разлагается (материал теряет не менее 5% массы).

Коэффициент теплового расширения (Coefficient of Thermal Expansion, CTE, ppm/°C): КТР — это скорость расширения материала печатной платы при нагревании. КТР измеряется по трем осям (X, Y и Z).

Теплопроводность (Thermal conductivity k, W/mK): Теплопроводность — это свойство материала проводить тепло. Низкая теплопроводность означает низкую теплопередачу, а высокая теплопроводность означает высокую теплопередачу.

Химические свойства диэлектрического материала влияют на тепловые и электрические свойства платы. Это также влияет на способность платы сопротивляться образованию токопроводящей анодной нити (CAF). Некоторые из химических свойств описаны ниже:

Влагопоглощение (Moisture Absorption, %): Влагопоглощение - это способность материала противостоять водопоглощению при погружении в воду. Он определяется процентным увеличением веса материала печатной платы из-за впитывания влаги в контролируемых условиях в соответствии со стандартными методами испытаний. Большинство материалов имеют значения влагопоглощения в диапазоне от 0,01% до 0,20%.

Стойкость к метиленхлориду: это способность материала сопротивляться абсорбции метиленхлорида. Он выражается процентным увеличением веса материала печатной платы из-за воздействия или выдержки в метиленхлориде в контролируемых условиях. Большинство материалов имеют значения стойкости к метиленхлориду в диапазоне от 0,01% до 0,20%.

Как правило, в спецификации на материал производитель указывает только значение влагопоглощения (Moisture Absorption).

Механические свойства материала определяют его способность выдерживать внешние нагрузки без потери своих характеристик. Здесь перечислены некоторые из механических свойств:

Прочность на отрыв (Peel Strength, Lbs/in или N/mm): Прочность на отрыв — это мера прочности связи между медным покрытием и диэлектрическим материалом (препрегом). Она выражается в фунтах силы на линейный дюйм или в ньютонах на миллиметр.

Модуль упругости (Tensile Modulus, MPa (1000psi=kpsi) или N/mm²): это способность материала упруго деформироваться, т.е. принимать в итоге первоначальный вид при приложении к нему силы. Он определяется как отношение напряжения, вызываемое действующей силой, к деформации (отношению деформации к начальной длине) вдоль оси при воздействии силы вдоль этой же оси, где выполняется закон Гука, т. е. кривая напряжение-деформация является линейной. Он выражается в паскалях или фунтах (сила) на квадратный дюйм (psi) или в ньютонах на миллиметр квадратный.

Прочность при изгибе (Flexural strength, MPa (1000psi=kpsi) или N/mm² ): это мера характеризующая способность материала выдерживать механическое напряжение без разрушения, когда материал поддерживается по краям и нагружается в центре.

Предел прочности на растяжение (на разрыв) (Tensile strength, MPa (1000psi=kpsi) или N/mm²): это мера максимального напряжения материала, которое он может выдержать перед разрывом при растяжении с обеих сторон. Выражается в паскалях или фунтах на квадратный дюйм (psi) и в ньютонах на миллиметр квадратный.