ההשפעה של בחירת חומרים Pcb על תאימות אלקטרומגנטית

מדוע אופטימיזציה של PCB חומרים ל- Defines Electromagnetic Compatibility

באלקטרוניקה המודרנית, הקרב נגד התערבות אלקטרומגנטית (EMI) הוא זוכה או אבוד לפני רכיב יחיד נמכר.לוח המעגל המודפס (PCB) אינו רק מבנה תמיכה מכני - הוא רכיב חשמלי קריטי שמעצב התנהגות, אי-אפשרות, ודפוסי קרינה לענות על תאימות אלקטרומגנטית באופן ישיר על תפקוד מכשיר ללא גרימת או הפרעה - תלוי במידה רבה על גבי תפקוד חומרים מסוכנים, כמו גם על ידי אלקטרו-ידי שימוש בחומרים ריקים.

יסודות של תאימות אלקטרומגנטית בעיצוב PCB

EMC כוללת שתי מטרות משלימות: שליטה בפליטות (הקרינה או נעשית מהמכשיר) ושיפור חסינות (היכולת לעמוד בהתערבות חיצונית) חומר ה- PCB פועל כמדיום שבו אותות גבוהים עוברים.

• מהירות הפצת אותות ושלמות
• שליטה והתאמה
• בין עקבות ומטוסים
• Resonance and Stand Wave
• הדיסיפוציה הירומית, המשפיעה באופן עקיף על EMI באמצעות הפסדים תלויים בטמפרטורות

גופי רגולציה כגון ועדת התקשורת הפדרלית של ארה"ב (FCC) וסימון האיחוד האירופי CE דורשים כי מוצרים אלקטרוניים עומדים בגבולות פליטה קפדניים. בעוד סינון תכנון ומגן על המתחם מסייע, הבסיס של EMC מתחיל עם תת-התחשש של PCB.

תכונות חומריות חשובות המשפיעות על EMC

לפני השוואת חומרים ספציפיים, חשוב להבין את התכונות הפיזיות השולטות בהתנהגות אלקטרומגנטית.

דיאלקטרי קונסטנטי (Dk)

קבוע דיאלקטרי, או יחסי המותרות, קובע כמה אנרגיה שדה חשמלי מאוחסן בחומר.זה משפיע על מהירות הניתוק והאות האופיינית. A Dk גבוה מאט את תפוקת האות, אשר יכול לגרום לבעיות תזמון במעגלים דיגיטליים.חשוב יותר, וריאציות ב Dk על פני הלוח או על פני להקות תדר לגרום הפסקת אש, המוביל להשתקפות מוגברת ו-EMI עבור תוכן גבוה או במהירות גבוהה, לעומת 3.

דיסיפציה (Df) או אובדן טטנט

גורם דיסipation קוונטית כמה אנרגיה אבודה כמו חום בדיאלקטרי.ד גבוה פירושו יותר אטמורציה אות ודור חום גדול יותר בתוך תת-המצע.עבור עיצובים גבוהים, אפילו הפסדים צנועים יכולים להחמיר את EMI כי האותות המועשרים דורשים זרמים גבוהים יותר, עלייה במשקל נמוך כמו FE (Df2) או 30000.00 000) זה אפקט כפול, לעומת 0, 000 גבוה יותר, 000.

המונחים:

חום הוא אויב של ביצועים אלקטרומגנטיים יציבים.כפי שעולה הטמפרטורה, קבוע דיאלקטרי והפסדים טנגנטי של חומרים רבים שינוי. מוליכות תרמית ירודה מובילה כתמים חמים מקומיים, אשר משנה את העמידות ואת מקדם שיא פליטות תלויות בתדרים.חומרים עם מוליכות תרמית גבוהה, כגון מתכת-core PCB (בסיס מימי או נחושת) או מלת נחושת) או מחוספסת קרמיקה, עוזרים לשמור על טמפרטורה אחידה והתנהגות אלקטרומגנטית 2.

יעילות הרחבה של Thermal (CTE)

CTE לא מתאים בין החומר, עקבות נחושת, ורכיבים רכובים גורמים ללחץ מכני במהלך רכיבה תרמית. במקרים קיצוניים, הלחץ הזה יכול להרוס שכבות או סדק באמצעות, יצירת אנטנה מכוונת והשפלה של חומרים EMC. Low-CTE כגון רוג'רס 6002 (CTE - 7 ppm / C) או substrates עוזר לשמור על שלמות מבנית על טמפרטורה, שמירה על מבנים מאולתרים ומגנים.

אחריות חיצונית ומניעה Moisture

קליטת Moisture משנה את התכונות הדיאלקטריות של תת-קרקעית, לעתים קרובות להגדיל את Dk ו Df ללא סיבה.זה מוביל לסחף שטף דליפה גבוהה יותר, אשר יכול זוג רעש לתוך מעגלים רגישים.חומרים עם ספיגה נמוכה (למשל, לחות מבוסס PT-FE, פולימדן) מועדפים לסביבות לחות.

חומרים PCB נפוצים וביצועים EMC

הבחירה של החומר חייבת לאזן ביצועים חשמליים, ניהול תרמי, יכולת אדם, ועלות. להלן היא ניתוח מורחב של תת-סטריטים טיפוסיים המשמשים בעיצובים רגישים EMC.

FR-4 (Standard Epoxy Glass Laminate)

FR-4 נשאר החומר ה- PCB הכי פחות מוזר בשל העלות הנמוכה שלו, כוח מכני טוב, והכרתיות בהבחנה.

• (FLT:0) דיאלקטרי קבוע: טווח 1:1 טווח בין 4.2 ל 4.8, משתנה עם תדירות וירידה באחוז.
• (ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (ב) מדרש (ב"ג): "ה'ומ'" (ב"ד:ב)" (ב)"ב)"ב[[1924]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]
• (ב) ⁇ :0) ⁇ : ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

למרות מגבלות אלה, FR-4 מקובל על מעגלים דיגיטליים מהירים ונמוכים (below - 1 GHz) שבו ניתן לשלוט ב-EMI באמצעים אחרים כגון סינון ומגן. עבור יישומים מהירים או RF, FR-4 הוא מקור משותף של כשלי EMC.

High-Frequency Laminates (Rogers, Isola, Taconic)

חומרים אלה מונדסים עבור תכונות חשמל עקביות על פני תדירות וטמפרטורה.הם הם ברירת המחדל עבור RF, מיקרוגל, ולוחות דיגיטליות מהירות גבוהה.

• (FLT:0)Rogers RO4000 סדרה (למשל, RO4350B, RO4003C): FLT:1 hydrocarbon קרמיקה עם Dk נמוך (~3.5) ו Df נמוך מאוד (~0.0015). הם מציעים יציבות ממדית מעולה וקליטת לחות נמוכה.
• (FLT:0)Rogers RT/duroid 6000 סדרה:FLT 1 PTFE מבוסס להלמונים אפילו בתדרים גבוהים יותר (עד 77 GHz) Dk הוא נמוך כמו 2.1, Df מתחת 0.001. הם רך מכני ודורשים טיפול מיוחד אבל לספק את הביצועים EMC הטוב ביותר עבור עיצובי גל מילימטר.
• (FLT:0) איסלולה I-Tera MT40:03:031) A low-loss laminate מיקוד דיגיטלי ו- RF במהירות גבוהה, עם Dk -3.5 ו- Df -0.003.It מגשר על פער העלויות בין חומרים סטנדרטיים של FR-4 ו-Premium PTFE.

שימוש בחומרים אלה מפחית פליטות קורנות על ידי שמירה על אימפולס עקבי, הורדת אותות, וצמצום חימום דיאלקטרי.

PTFE (Polytetrafluoroethylene) מבוסס לאומני

PTFE, הידוע בדרך כלל על ידי שם המסחר Teflon, מציע את הגורם הקבוע הדיאלקטרי הנמוך ביותר ואת dissipation של חומרים אורגניים. Dk סביב 2.1 ו Df נמוך כמו 0.0002 לעשות את זה אידיאלי עבור יישומים גבוהים יותר מעל 10 GHz. עם זאת, PTFE הוא יקר, קשה מכונה (הוא רך ומרחיב תרמית), ויש לו שכבתיות גרועה ב- לוחות מרובים נדרשים טיפולים בשלב קריטי, עבור טיפול קצר.

סרמיצי סובסטרטים (Alumina, LTCC, AlN)

Ceramic מבוסס substrates מציעים מוליכות תרמית גבוהה מאוד תכונות דיאלקטריות יציבה מאוד. Alumina (Al2O3) יש Dk סביב 9-10 והפסדים נמוכים מאוד. LTCC (נמוך עורב קרמיקה אש) לאפשר מבנים מרובים עם ספוגים פסיביים. אלה substrates נפוצים במגברים RF בעוצמה גבוהה, אלקטרוניקה צבאית, וטמפרטורה גבוהה כדי להשיג את הפחתת גודל גבוה.

Metal-Core PCBs (IMS - Insulated Metal Substrate)

Metal-core PCBs להשתמש בסיס אלומיניום או נחושת עם שכבה דיאלקטרית דק.ה היתרון העיקרי שלהם הוא מוליכות תרמית - ליבות אמינומה יכול להגיע 2-4 W / mK, באופן דרמטי יותר מאשר FR-4. בעוד השכבה הדיאלקטרית (בקיצור מלא חלקיקים קרמיקה) יש הפסדים גבוהים יותר מאשר ליבות אורגניות טהורות, היתרונות התרמית יכולים למנוע כתמים חמים כי אחרת לגרום לשינויי EMI אלה משמשים לעתים קרובות מתכתית גבוהה.

כיצד בחירה חומרית משפיעה באופן ישיר על EMI

מעבר לפרמטרים הבסיסיים, בחירה חומרית משפיעה על הסביבה האלקטרומגנטית בכמה דרכים קונקרטיות.

שליטה וחשיבה

בממשקים דיגיטליים מהירים (למשל, USB 3.0, HDMI, PCIe), זמני עלייה אותות נמדדים בפיקו השניות. אפילו כמה פיקו השניות של השתקפות יכול לגרום overshoot, תחת פתרון, ומקרי קרינה פליטות.הה של עקבות נקבע על ידי הגיאומטריה שלו ואת Dk של החומר שמסביב.

אובדן דיאלקטרי וזיהוי אינטגרליות

חומרים Df גבוה להגביר את הרכיבים של אותות דיגיטליים.התוצאה היא שיעורי קצה איטי יותר וג'ייטר מוגבר. לפצות, מעצבים עשויים להגדיל את הנהיגה הנוכחית, אשר בתורו יוצר לולאות נוכחיות גדולות יותר ושדות מגנטיים חזקים יותר.לאה זו קורנת יותר רעש.שימוש בחומרים נמוכים שמרה על שלמות ללא כונן נוסף הנוכחי, ישירות צמצום EMI.

Resonance and Stack-Up Design

ה- PCB עצמו יכול לפעול כרקטור בתדרים מסוימים. עובי דיאלקטרי, Dk, וממדים של מטוס נחושת קובעים מצבי התחדשות. מבחר חומרי בלתי-מחדש יכול ליצור שחזורים ברמת לוח-העל אשר מגבירים רעשים או מקרינה בתדרים ספציפיים. ⁇ דקנר (lower Z-axis) דוחקים יותר גבוה, אבל זה גם מגביר את הצטברות בין כוח ומטוסים, אשר יכול למנוע את התדירות גבוהה יותר.

הגנה על יעילותם של שכבות Embedded

כמה חומרים מציעים מגנים מובנה באמצעות ממלאי התנהגות או ציפוי פני השטח.לדוגמה, תת-קרקעיים מלאים או ניקל-קולק יכולים לספק יעילות מגן מתון (20–40 dB) ללא נחושת נוספת.חומרים אלה משמשים בחיישנים תעשייתיים שבהם מגבלות גודל מגבילות מגן חיצוני.עם זאת, יעילות המגן תלויה בהתנהלות מלאת ועובי.

שיקולים עבור אופטימיזציה EMC באמצעות בחירה חומרית

בחירת החומר הנכון הוא רק חלק מהמשוואה.הפרקטיקות הבאות ממקסמות את היתרונות של EMC של כל תת-סטריט.

השתמש במטוס קרקע ייעודי עם דיאלקטרי עקבי

מטוס קרקע מוצק ליד שכבת אות היא הדרך היעילה ביותר לשלוט במכשולים ולצמצם את אזור הלולאה. הדיאלקטרי בין שכבת האות לבין מטוס הקרקע חייב להיות עובי אחיד ודק.שימוש בתרופה דקת (למשל, 5 mil) עם מלת גבוה נותן שליטה הדוקה על מוטציות ולהפחית קרינה.

מיניזציה של חומרים

ערבוב חומרים שונים באותה ערימה (למשל, ליבת FR-4 עם רוג'רס preprepreprepreg) יכול לגרום ל- CTE לאותמות ולאתגרי ייצור.זה גם יוצר שלבים בלתי מאוישים בגבולות החומריים.אם נדרש ערימה היברידית, להבטיח שכל הפרמטרים החומריים מתאימים היטב, במיוחד Dk ו- CTE.

שקול את טווח תדירות של המבצע

עבור עיצובים הפועלים מתחת ל-500 MHz, FR-4 הוא לעתים קרובות מקובל אם נהלי הפריסה זהירים עוקבים. בין 500 MHz ו 2 GHz, PTFE לטווח בינוני גבוה ⁇ גבוה כמו רוג'רס 3C או Isola 370HR משפר באופן משמעותי את EMC. מעל 2 GHz, PTFE או קרמיקה להיות הכרחי.

ניהול תרמי צריך למנוע השפעות אלקטרומגנטיות

כיור חום ודרכו יכולים להפוך למקורות EMI אם לא תוכנן כראוי. Metal-core PCBs או דרך תרמית מלאה epoxy התנהגותית עשוי לשנות את האימפולס של עקבות סמוכים, תמיד לדמות את הערימה עם תכונות חומרים תלויות טמפרטורה כדי להבטיח EMC על פני טווח ההפעלה.FLT:0A 25 מעלות צלזיוס עלייה בטמפרטורה יכולה לשנות Dk של 2-43% על ידי 2–3% ו- Dfir על ידי 10% או יותר.

כוונון ותיקון

לפני ביצוע ייצור נפח, לוחות אבטיפוס באמצעות החומר המיועד צריך לעבור בדיקות טרום שיתוף EMC. השתמש מנתח ספקטרום עם בדיקה ליד שדה לזהות כתמים חמים. להשוות רמות פליטה של FR-4 ו- גבוה חומרים אופטימיזציה על אותה הפריסה כדי לכמת השיפור.זה נתונים זה יכול להצדיק את העלות הגבוהה של תת-שכבות.

פיצויים ועלויות מסחר

פגישה FCC חלק 15 אוPR 32 גבולות לעתים קרובות כוחות את השימוש בחומרים טובים יותר.עם זאת, לא תמיד יש צורך להשתמש בשומן היקר ביותר. גישה שיטתית מעריכה שולי פליטה מסימולציות וטיפוסים.אם שולים הם הדוקים, שדרוג מ FR-4 ועד לדרגה בינונית (למשל, Isola De104) יכול לספק שיפור של 5-10B בעלות מתונה עבור מוצרים בעלי רמה גבוהה יותר, כמו גם אם ניתן להוסיף, או יותר מדי, כגון הגנה, או יותר מדי, או יותר מדי, או יותר מדי, או יותר מדי, כגון הגנה, או יותר מדי, או יותר מדי, או יותר מדי, ייתכן, ייתכן שייתכן כי ניתן להוסיף, כגון, כגון, או יותר מדי, כגון הגנה יותר מדי, או יותר מדי, או יותר מדי, אם ניתן להוסיף יותר מדי, או יותר מדי, או יותר מדי, אם ניתן להוסיף, אם ניתן להוסיף יותר מדי, אם ניתן להוסיף, כגון, כגון, עדיף על פני יותר מדי, עדיף עלות, או יותר מדי, אם ניתן להוסיף, כגון, אם ניתן להוסיף יותר מדי, אם ניתן להוסיף יותר מדי, כגון, אם ניתן להוסיף, כגון, אם ניתן להוסיף, כגון, כגון, אם ניתן להוסיף, כגון, אם ניתן להוסיף, אם ניתן להוסיף יותר מדי, אם

(ב) מקורות לתקנות: 1

• (FLT:0)FCC Office of Engineering and Technology - RF SafetyBuildFLT:1
• (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (FLT:0) תקן ה-PC עבור חומרים ו- PerformanceveFLT:1

מגמות עתידיות ב- PCB חומרים עבור EMC

דחיפה לעבר 5G, תקשורת terahertz, ו מכ"ם של הרכב הוא מאיץ חדשנות חומרית. פולימר גבישי נוזלי (LCP) substrates מציעים תכונות גמישות, נמוכות-הפסדים. laminates כיתה הרכב מפותחים לעמוד - 40°C ל-150 מעלות צלזיוס תוך שמירה על יציבות Dk. Embedded טכנולוגיות פסיביות (resistors in the Substrate) להפחית את השכבה (D) ולקצר את ה-i-i-D מסלולי בקרה לטווח ארוך (D) וניתן להפחית את המותאמים ל- EMD.

מסקנה

בחירת חומרי PCB אינה מחשבה בעיצוב EMC - זוהי החלטה בסיסית המשפיעה על שלמות האות, קרינה וציות.קבוע הדיאלקטרי, אובדן שיזוף, מוליכות תרמית ויציבות מכנית של תת-המצע באופן ישיר את ההתנהגות האלקטרומגנטית של המוצר הסופי. בעוד ש- FR-4 נשאר בר קיימא עבור עיצובים בעלי יכולת נמוכה, עלות, עובדים עם מהנדסים במהירות דיגיטלית, RF או קשה להשקיע בטמפרטורות חיוניות כדי לפשטות, כגון קרמיקה, או לפשטות חומרים מתקדמים, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, לפשטות חומרים מתקדמים, כלומר, כלומר, לפשטות סטנדרטיות, לפשטות, לפשטות, לפשטות, לפשטות של חומרים מתקדמים, לטמפרטורה גבוהה של מגנטיות, או לפשטות, לפשטות, או לפשטות, לפשטות, לפשטות, כלומר, לפשטות, לפשטות חומרים מתקדמים, לפשטות יעילה, לפשטות, לטמפרטורה יעילה, לטמפרטורה יעילה.