PCB-piirilevyjen tärkeimmät parametrit

Yksityiskohtainen selitys tärkeimmistä PCB-parametreista

1. Sähköisen suorituskyvyn parametrit

Piirilevyn sähköiset ominaisuudet vaikuttavat suoraan signaalin eheyteen erityisesti suurtaajuus- ja nopeissa piireissä.

• Dielektrinen vakio (Dk) - Mittaa materiaalin kykyä varastoida sähköenergiaa. Pienemmät Dk-arvot (esim. PTFE, jonka Dk≈2,2) mahdollistavat nopeamman signaalinsiirron, mikä tekee niistä ihanteellisia 5G- ja millimetriaaltosovelluksiin.
• Häviökerroin (Df/Loss Tangent) - Osoittaa signaalin energiahäviön. Korkeataajuussovellukset (esim. tutkat, satelliittiviestintä) edellyttävät Df < 0,005.
• Pinta/tilavuus Resistivity - Korkea eristysresistanssi (>10¹² Ω-cm) estää vuotovirrat, mikä on tärkeää korkeajännitteisille piirilevyille (esim. tehomoduuleille).
• Katkaisujännite - Tavallinen FR4 kestää ≥20 kV/mm, kun taas keraamiset substraatit kestävät jopa 50 kV/mm.
• Impedanssin säätö - Nopeat piirilevyt (esim. DDR5, PCIe 6.0) edellyttävät tiukkaa impedanssitoleranssia (±5%) signaalien heijastusten minimoimiseksi.

2. Lämpötehokkuusparametrit

Piirilevyn lämmönkestävyys määrittää sen luotettavuuden korkean lämpötilan ympäristöissä, erityisesti lyijyttömän juottamisen ja pitkäaikaisen vakauden osalta.

• Lasittumislämpötila (Tg) - Standardin FR4:n Tg≈130°C on Tg≈130°C, kun taas korkean Tg:n piirilevyjä (Tg≥170°C) käytetään auto- ja sotilaselektroniikassa.
• Terminen hajoamislämpötila (Td) - Materiaalit, joiden Td > 325 °C (esim. Isola 370HR), ovat suositeltavia lyijyttömiä juotoksia varten.
• Lämmönjohtavuus - FR4:llä on alhainen lämmönjohtavuus (~ 0,3 W/m-K), kun taas metalliytimillä varustetut piirilevyt (esim. alumiini) voivat saavuttaa 10 W/m-K, mikä tekee niistä ihanteellisia LED-jäähdytykseen.
• Lämpölaajenemiskerroin (CTE) - Z-akselin CTE:n tulisi olla <50 ppm/°C, jotta estetään delaminaatio monikerroksisissa piirilevyissä (IC-substraatit vaativat CTE≈6 ppm/°C).

3. Mekaanisen suorituskyvyn parametrit

Mekaaninen lujuus vaikuttaa kokoonpanoprosesseihin ja pitkäaikaiseen kestävyyteen.

• Taivutuslujuus - Tavallinen FR4 on 400-600 MPa, kun taas joustavat piirilevyt (polyimidi) vaativat yli 200 MPa.
• Kuorinnan vahvuus - Kuparin tarttuvuuden on oltava yli 1,0 N/mm (IPC-standardi), jotta estetään kalvon irtoaminen juottamisen aikana.
• Veden imeytyminen - Alhainen kosteuden imeytyminen (<0,2%) estää rakkuloiden muodostumisen; korkeataajuuslaminaattien kosteuden imeytyminen on yleensä <0,1%.

4. Rakenteelliset ominaisuudet

Valmistustarkkuus on ratkaisevan tärkeää tiheä liitäntä (HDI) ja miniatyrisoidut mallit.

• Kuparin paksuuden toleranssi - Normaalin 1 oz:n kuparin toleranssi on ±10%, kun taas tarkkuuspiireissä vaaditaan ±5%.
• Kerrosten välinen rekisteröintitarkkuus - HDI-piirilevyt vaativat <25 μm:n kohdistusta, kun taas tavalliset monikerroslevyt sallivat <50 μm:n kohdistuksen.
• Vähimmäisjälki/tilavuus (L/S) - Tavallisissa piirilevyissä käytetään 0,1 mm/0,1 mm, kun taas kehittyneissä IC-substraateissa käytetään 20 μm/20 μm.

5. Luotettavuustestauksen mittarit

PCB:n on läpäistävä tiukat testit pitkäaikaisen vakauden varmistamiseksi.

• Johtavan anodisen langan (CAF) vastus - Arvioi oikosulkuriskit kosteissa olosuhteissa (85°C/85% RH 1000 tunnin ajan).
• Pinnan eristysresistanssi (SIR) - Sen on oltava yli 10⁸ Ω (JIS-standardien mukaan).
• Thermal Cycling TestessSuunnitteluohjeet: - Kestää 100 sykliä (-55°C - 125°C) ilman halkeamia (autojen piirilevyt vaativat tiukempia testejä).

6. Ympäristön ja prosessien vaatimustenmukaisuus

Ympäristömääräykset (esim. RoHS, REACH) ohjaavat PCB-materiaalien kehitystä.

• Vertaileva seurantaindeksi (CTI) - Lääkinnälliset laitteet tarvitsevat luokan 3 (400-600 V), kun taas teollisuuden ohjauslaitteet vaativat luokan 2.
• Halogeenivapaa - Kloori-/bromipitoisuuden on oltava < 900 ppm myrkkypäästöjen vähentämiseksi.
• Palonesto (UL94) - V-0 on korkein luokitus, joka on pakollinen ilmailu- ja avaruussovelluksissa.

PCB-levyn luokittelu ja valinta

1. Yleiset PCB-materiaalit

• FR4 - Vakiomuotoinen epoksilasilaminaatti kulutuselektroniikkaa varten.
• CEM-3 - Komposiittisubstraatti, kustannustehokas yksinkertaisille kaksipuolisille piirilevyille.
• Korkean Tg-pitoisuuden omaavat PCB:t (Tg≥170°C) - Lämmönkestävä auto- ja sotilaskäyttöön.
• Korkeataajuuslaminaatit (esim. Rogers RO4003C) - Matala Dk/Df 5G-/tutkasovelluksia varten.
• Metal-Core PCB:t (alumiini/kupari) - Erinomainen lämmönhallinta LEDeille ja tehomoduuleille.

2. PCB-materiaaliluokkien vertailu

3. Miten valita oikea PCB-materiaali?

• Korkean taajuuden sovellukset → Materiaalit, joiden Dk/Df-arvo on alhainen (Rogers, Taconic).
• Korkean lämpötilan ympäristöt → Korkean Tg- (≥170°C) tai korkean Td- (>325°C) lämpötilan materiaalit.
• Suuren tehon lämmöntuotto → Metalliydin tai korkean lämmönjohtavuuden FR4.
• Ympäristöystävälliset vaatimukset → Halogeenittomat, RoHS-vaatimusten mukaiset materiaalit.

PCB-parametrien valinta vaikuttaa suoraan tuotteen suorituskykyyn, luotettavuuteen ja kustannuksiin. Insinöörien on valittava sopivat levymateriaalit (kuten FR4, CEM-3, korkea Tg PCB jne.) sovellusskenaarion (kuten korkea taajuus, korkea lämpötila, korkea teho) perusteella ja optimoitava suunnittelu signaalin eheyden, lämmönhukkaominaisuuksien ja mekaanisen lujuuden parantamiseksi.