При сравнении данных дьявол в деталях

автор Джон Кунрод (John Coonrod), ROGERS CORPORATION |

Многие производители и проектировщики печатных плат часто сравнивают характеристики, приведенные в перечнях технических характеристик материалов, чтобы это помогло в процессе выбора материала. Конечно, это мудрое решение при выборе материала, однако, эти данные должны быть тщательно проанализированы. Сравнивание информации в разных перечнях технических характеристик может ввести в заблуждение, так как в сбор данных входит очень много переменных.

Одна из главных проблем при понимании информации в перечне технических характеристик и адекватном сравнении – это категория метода тестирования. Можно тестировать один и тот же образец материала на диэлектрическую постоянную (Dk), используя два различных метода тестирования, и вы получите два разных – но корректных – ответа. Большинство материалов для печатных плат являются анизотропными, то есть Dk не одинакова по осям x, y и z, где ось z является толщиной материала. Некоторые методы тестирования тестируют только ось z, а другие методы  тестируют плоскость x-y. То есть можно тестировать один и тот же кусок материала, используя метод тестирования, которые оценивает на диэлектрическую постоянную ось z, и получить ответ отличный от того, который даст этот же материал при проведении процедуры, тестирующей плоскость x-y материала. Оба ответа будут корректными, но это может создать путаницу при сравнении таблиц технических характеристик. Очень важно при сравнении похожих материалов убедиться, что были использованы одни и те же методы тестирования.

Электрические характеристики также могут ввести в заблуждение, так как диэлектрическая постоянная и тангенс угла диэлектрических потерь (Df) всех материалов зависят от частоты. Эти характеристики естественным образом изменяются при изменении частоты. И опять при сравнении таблиц данных похожих материалов, убедившись, что методы тестирования одинаковые, тонкий момент заключается в том, что тестовая частота различна, и это может внести изменения в сравнение.

Все материалы будут иметь меньший (лучший) Df при более низких частотах, и если мы сравниваем материал А при 2,5 ГГц, а материал В тестировался на 10 ГГц, то это не корректное сравнение, так как тест при более низкой частоте будет иметь меньший Df, чем этот же материал при более высокой частоте.

Прочность на расслаивание или прочность на сцепление – это другая характеристика, с которой часто бывают ошибки. В мои годы в проектировании гибких схем меня заинтересовало то, что выбранный материал для одного из наиболее востребованных устройств с гибкой схемой имел очень низкую прочность на расслаивание. Гибкая плата считывания-записи внутри стандартного механического жесткого диска должна выдерживать сотни миллионов циклов изгиба, а выбранный материал обычно имел прочность на сцепление около 1,5 pli (фунтов на линейный дюйм). Это считается очень плохой прочностью на сцепление, при этом схема имела отличную долгосрочную функциональность внутри жёстких дисков (HDDs). Это происходит из-за того, что при правильно спроектированной схеме и оптимизированном устройстве множественные нагрузки на прочность на расслаивание не критичны. Эта прочность становится более критичной, когда плата испытывает механический и/или термальный стрессы. В случае термального стресса или термального цикла прочность на сцепление не будет главной заботой, если в материале хорошо подобрано соотношение CTE к меди и другим подложкам, из которых состоит плата.

Еще одним интересным моментом, касающимся прочности на сцепление, является тот факт, что ее значение зависит от специфических механических свойств в точке перегиба, где медь была снята с подложки во время тестирования на сопротивление отслаиванию. Тот же материал с низкой прочностью на отслаивание и который был использован в HDD, может иметь очень хорошие показатели прочности на отслаивание, если он был недостаточно обработан. Конечно, есть и другие характеристики, такие как оставшийся припой, который может испытать негативное влияние от этого, но недообработанная система адгезии зачастую будет иметь лучшую прочность на отслаивание во время тестирования. Причина в том, что недообработанная адгезия более эластичная и растягивается в точке перегиба во время тестирования на прочность. То есть получается, над точкой перегиба между медью и подложкой будет больше материала во время тестирования на прочность на отслаивание, что увеличивает ее значения.  Недообработанная адгезия не должна использоваться в устройствах, но если вас интересуют только показатели значений прочности, это может быть очень обманчивым. Об этом же следует помнить и при сравнении материалов, имеющих различные составы.

Базовое положение заключается в том, что термопластичные материалы – мягкие и растягивающиеся, что дает им право иметь более высокие показатели прочности на отслаивание, чем многие термоотверждающиеся материалы, которые жесткие и имеют четкую линию перегиба во время тестирования.

Итоговый вывод по прочности на отслаивание – материал с более высокой прочностью на отслаивание не обязательно лучше, чем материал с низкой прочностью на отслаивание. Эта прочность может быть только одним из аспектов при выборе материала, и если материал имеет хороший CTE, а устройство не испытывает стресс на линии соединения меди и подложки, эта прочность не должна быть вашей главной заботой.

Влагопоглощение – это еще одна характеристика, где встречается путаница в технических данных. Есть много способов тестировать материал на поглощение влаги. Один метод, который, наверное, является наихудшим сценарием, заключается в том, чтобы вытравить всю медь из подложки, взвесить подложку, погрузив ее в горячую воду  (500C) на 48 часов, взвесить снова, и разница в весе даст нам процент поглощенной влаги. Очевидно, что большинство печатных плат не погружают в воду, следовательно, сравнение с использованием данного метода тестирования должно восприниматься только как сравнение между материалами. Так как есть много методов для тестирования влагопоглощения, сравнение в таблицах технических характеристик могут быть некорректными, если одни данные по поглощению влаги получены при 24-часовом тестировании при 25°C на 85% RH, а другие данные используют метод тестирования 48 часов/500С/погружение в воду. Такие сравнения нельзя проводить, так как условия двух методов тестирования не совпадают.

Некоторые методы тестирования теплопроводности тестируют только чистую подложку, другие методы включают нанесенную медь при тестировании подложки. Так как теплопроводность меди около 400 W/m/K, дополнительное влияние меди будет конечно улучшать значения теплопроводности в том методе тестирования, который включает металл. Если метод тестирования включает медь, толщина подложки в момент тестирования очень важна, так как более тонкий образец будет иметь большее влияние от наличия меди.

Я привел лишь несколько моментов, которые нужно учитывать при сравнении перечней технических данных, но есть и многие другие. Практически каждая характеристика в таких документах имеет свою историю. Чтобы сделать честное сравнение между перечнями технических характеристик, вы должны учитывать, как они тестировались, понимать детали и условия тестирования. Я очень рекомендую проконсультироваться со своими поставщиками материалов при анализе информации, приведенной в технических характеристиках.

 

Источник: Журнал PCB Design Июнь 2017, стр.56

 

Назад