Gedetailleerde uitleg van belangrijke PCB-parameters
1. Elektrische prestatieparameters
De elektrische eigenschappen van een PCB hebben een directe invloed op de signaalintegriteit, vooral in circuits met hoge frequenties en hoge snelheden.
- Diëlektrische constante (Dk) - Meet het vermogen van een materiaal om elektrische energie op te slaan. Lagere Dk-waarden (bijvoorbeeld PTFE met Dk≈2,2) maken een snellere signaaloverdracht mogelijk, waardoor ze ideaal zijn voor 5G- en millimetergolftoepassingen.
- Dissipatiefactor (Df/Loss Tangent) - Geeft signaalenergieverlies aan. Voor hoogfrequente toepassingen (bijv. radar, satellietcommunicatie) is Df < 0,005 vereist.
- Oppervlakte/volume weerstandsvermogen - Hoge isolatieweerstand (>10¹² Ω-cm) voorkomt lekstromen, wat cruciaal is voor hoogspanningsprintplaten (bijv. voedingsmodules).
- Afbreekspanning - Standaard FR4 is bestand tegen ≥20 kV/mm, terwijl keramische substraten tot 50 kV/mm aankunnen.
- Impedantieregeling - PCB's met hoge snelheden (bijvoorbeeld DDR5, PCIe 6.0) vereisen een strakke impedantietolerantie (±5%) om signaalreflecties te minimaliseren.
2. Thermische prestatieparameters
De hittebestendigheid van een PCB bepaalt de betrouwbaarheid in omgevingen met hoge temperaturen, vooral voor loodvrij solderen en stabiliteit op lange termijn.
- Glasovergangstemperatuur (Tg) - Standaard FR4 heeft Tg≈130°C, terwijl PCB's met een hoge Tg (Tg≥170°C) worden gebruikt in auto- en militaire elektronica.
- Thermische Decompositietemperatuur (Td) - Materialen met Td > 325°C (bijvoorbeeld Isola 370HR) hebben de voorkeur voor loodvrij solderen.
- Thermische geleidbaarheid - FR4 heeft een laag warmtegeleidingsvermogen (~0,3 W/m-K), terwijl PCB's met een metalen kern (bijv. aluminium) 10 W/m-K kunnen bereiken, waardoor ze ideaal zijn voor LED-koeling.
- Thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) - De Z-as CTE moet <50 ppm/°C zijn om delaminatie te voorkomen in meerlagige PCB's (IC-substraten vereisen CTE≈6 ppm/°C).
3. Mechanische prestatieparameters
Mechanische sterkte beïnvloedt assemblageprocessen en duurzaamheid op lange termijn.
- Buigsterkte - Standaard FR4 varieert van 400-600 MPa, terwijl flexibele printplaten (polyimide) >200 MPa vereisen.
- Peelsterkte - De koperadhesie moet groter zijn dan 1,0 N/mm (IPC-norm) om te voorkomen dat de folie loslaat tijdens het solderen.
- Waterabsorptie - Lage vochtabsorptie (<0,2%) voorkomt blaasvorming; hoogfrequent laminaten hebben meestal een temperatuur van <0,1%.
4. Structurele kenmerken
Precisie bij de productie is essentieel voor hoge dichtheidsinterconnectie (HDI) en geminiaturiseerde ontwerpen.
- Tolerantie koperdikte - Standaard 1 oz koper heeft ±10% tolerantie, terwijl precisiecircuits ±5% vereisen.
- Nauwkeurigheid laag-op-laag registratie - HDI PCB's vereisen <25 μm uitlijning, terwijl standaard multilaag printplaten <50 μm toestaan.
- Minimum spoor/ruimte (L/S) - Standaard PCB's gebruiken 0,1 mm/0,1 mm, terwijl geavanceerde IC-substraten 20 μm/20 μm bereiken.
5. Metriek voor betrouwbaarheidstesten
PCB's moeten strenge tests doorstaan om stabiliteit op lange termijn te garanderen.
- Weerstand van geleidende anodraad (CAF) - Evalueert kortsluitrisico's onder vochtige omstandigheden (85°C/85% RH gedurende 1000 uur).
- Oppervlakte-isolatieweerstand (SIR) - Moet hoger zijn dan 10⁸ Ω (volgens JIS-normen).
- Thermische cyclustest - Overleeft 100 cycli (-55°C tot 125°C) zonder barsten (PCB's voor auto's vereisen strengere tests).
6. Milieu- en procesnaleving
Milieuvoorschriften (bijv. RoHS, REACH) stimuleren de ontwikkeling van PCB-materialen.
- Vergelijkende trackingindex (CTI) - Medische apparaten hebben klasse 3 (400-600 V) nodig, terwijl industriële besturingen klasse 2 vereisen.
- Halogeenvrij - Het chloor/broomgehalte moet <900 ppm zijn om toxische emissies te verminderen.
- Vlamvertraging (UL94) - V-0 is de hoogste classificatie, verplicht voor luchtvaarttoepassingen.
Classificatie en selectie van printplaten
1. Gebruikelijke PCB-materialen
- FR4 - Standaard epoxyglaslaminaat voor consumentenelektronica.
- CEM-3 - Composiet substraat, kosteneffectief voor eenvoudige dubbelzijdige printplaten.
- PCB's met hoog Tg-gehalte (Tg≥170°C) - Hittebestendig voor auto's en militair gebruik.
- Hoogfrequentielaminaten (bijvoorbeeld Rogers RO4003C) - Lage Dk/Df voor 5G/radartoepassingen.
- PCB's met metalen kern (Aluminium/Koper) - Uitstekend thermisch beheer voor LED's en voedingsmodules.
2. PCB-materiaalkwaliteiten vergelijken
| Materiaalklasse | Kenmerken | Typische toepassingen |
|---|
| 94HB | Op papier gebaseerd, niet-vlamvertragend | Goedkope consumentenelektronica |
| 94V0 | Vlamvertragend papiersubstraat | Printplaten voor huishoudelijke apparaten |
| CEM-1 | Enkelzijdige glasvezel | Eenvoudige circuits |
| CEM-3 | Dubbelzijdig halfglas | Goedkope dubbellaagse PCB's |
| FR4 | Standaard glasvezel | Consumentenelektronica, industriële besturingen |
| Hoog-Tg FR4 | Bestand tegen hoge temperaturen | Auto's, luchtvaart |
3. Hoe kies je het juiste PCB-materiaal?
- Toepassingen voor hoge frequenties → Materialen met een laag Dk/Df-gehalte (Rogers, Taconic).
- Omgevingen met hoge temperaturen → Materialen met hoge Tg (≥170°C) of hoge Td (>325°C).
- Krachtige warmteafvoer → Metaalkern of FR4 met hoge thermische geleidbaarheid.
- Milieuvriendelijke vereisten → Halogeenvrije, RoHS-conforme materialen.
De selectie van PCB-parameters heeft een directe invloed op de prestaties, betrouwbaarheid en kosten van het product. Ingenieurs moeten geschikte printplaatmaterialen selecteren (zoals FR4, CEM-3, PCB met hoge Tg, enz.) op basis van het toepassingsscenario (zoals hoge frequentie, hoge temperatuur, hoog vermogen) en het ontwerp optimaliseren om de signaalintegriteit, de mogelijkheden voor warmteafvoer en de mechanische sterkte te verbeteren.