Materiaalit

Pinnoitteen valinta ja rakenteen optimointi ovat tärkeitä tekijöitä varmistettaessa, että asiakkaan tuote toimii hyvin, mutta onko siinä kaikki? Ei, sillä on myös varmistettava, että haluttu materiaali on saatavilla tehtaalla ja että tehtaalla on UL-hyväksyntä kyseisille materiaaleille.

NCAB tietää, että materiaalivaihtoehtoja on useita. Asiantuntemuksemme ansiosta opastaa ja auttaa materiaalin valinnassa ja materiaalispesifikaatioissa.

Jäykkä materiaali

Miten materiaali tulee määrittää?

Suosittelemme, ettei määritettäisi vain yhtä tiettyä materiaalimerkkiä tai -tyyppiä, koska se rajoittaa tehtaita, kuka voi toteuttaa projektin. Vaikka tunnetut materiaalimerkit ovat laajalti käytössä tehtaillamme, joillakin tehtailla on myös käytössä rinnakkaisia materiaaleja ja laminaatitehtaiden suosimia materiaaleja, joilla saavutetaan piirilevyyn vaadittu IPC-spesifikaatio. Silloin saatavuus ja tietenkin hinta vaikuttavat siihen, mitä merkkiä käytetään.

Se ei tietenkään tarkoita, ettet voisi määrittää spesifikaatiossa tiettyjä materiaalimerkkejä. Jos sinulla on kokemusta tietystä materiaalista, jonka tiedät toimivan tuotteesi kanssa, siihen voi viitata yksinkertaisesti kommentilla ”tai vastaava”. NCAB:n tekniset asiantuntijat ja ostotiimit voivat sitten arvioida ja tarjota vaihtoehtoja, jotka täyttävät toiminnalliset vaatimukset suorituskyvyn kärsimättä.

Jokainen tunnettu materiaalivalmistaja on luokitellut tuotteensa IPC 4101:n mukaisesti (jäykkien ja monikerroksisten piirilevyjen materiaalispesifikaatio) – spesifikaation tarkoituksena on selvittää ja luokitella suorituskykyominaisuudet. Koska luokittelu määrittää materiaalin ominaisuudet yksityiskohtaisesti, tehdas voi IPC-4101-xxx-luokitusta noudattamalla valita viisaasti ja varmistaa, että suorituskyky on täysin odotusten mukainen.

Jos haluat lisätietoja IPC 4101 -standardista tai materiaalien spesifikaatiomenetelmästä, ota yhteyttä NCAB Groupiin. Autamme mielellämme.

Tekijät materiaaliominaisuuksia määrittäessä

Kun harkitaan materiaalin suosituskykyominaisuuksia, on otettava huomioon sekä mekaaniset ominaisuudet (erityisesti käyttäytyminen juotosprosessien tai lämpökäsittelyjaksojen aikana) että materiaalin sähköiset ominaisuudet. Yleisimmät vakiotuotteiden valintaan vaikuttavat tekijät perustuen siihen, että kaikkien materiaalien on täytettävä UL-luokitus V-0.

Materiaalien tärkeimmät ominaisuudet on esitetty alla.

  • CTE – Z axis(Co-efficient of thermal expansion): This is a measure of how much the base material will expand when heated. Measured as PPM/degree C (both before and after Tg) and also in % over a temperature range.
  • Td (Decomposition temperature): This is the temperature at which material weight changes by 5%. This parameter determines the thermal survivability of the material.
  • Tg (Glass transition temperature): The temperature at which the material stops acting like a rigid material and begins to behave like a plastic / softer.
  • T260 (Time to delamination): This is the time it take for the base material to delaminate when subjected to a temperature of 260 degrees C.
  • T288 (Time to delamination): This is the time it take for the base material to delaminate when subjected to a temperature of 288 degrees C.
  • Dk (Dielectric constant): The ratio of the capacitance using that material as a dielectric, compared to a similar capacitor which has a vacuum as its dielectric.
  • CTI (Comparative tracking Index): A measure of the electrical breakdown properties of an insulating material. It is used for electrical safety assessment of electrical apparatus. Rating can be seen below.
Tracking Index (V) PLC
600 and greater0
400 through 5991
250 through 3992
175 through 2493
100 through 1744
< 1005

Seuraava taulukko on ote IPC-4101-luokituksista, josta voidaan nähdä aikaisemmin mainittuja yksityiskohtia.

IPC-4101 99101121 124126127 128129130
Tg (min) C150110110150170110150170170
Td (min) C325310310325340310325340340
CTE Z 50-260 C3,5%4%4%3,50%3%4%3,50%3,50%3%
T260 (min) minutes303030303030303030
T288 (min) minutes555515551515
Fillers > 5%YesYesNANAYesYesYesNAYes
Dk/Permittivity (max)5,45,45,45,45,45,45,45,45,4

IMS – tehokas lämmönsiirtotekniikka

IMS-tekniikan (Insulated Metal Substrate) tarjoamat uudet mahdollisuudet

IMS-tekniikkaa voidaan käyttää suurempien tehomäärien tai lämpökuormitusten yhteydessä, esimerkiksi hyvin tehokkaissa LED-rakenteissa. Lyhenne IMS tulee sanoista Insulated Metal Substrate (eristetty metallinen substraatti). Tämä on metallilevylle – yleensä alumiinille – rakennettu piirilevy, johon on kiinnitetty erityinen prepreg-välikerros, jonka tärkeimpiin ominaisuuksiin kuuluvat erinomainen lämmönsiirtokyky ja suuri eristekyky korkeajännitteitä vastaan. NCAB on osallistunut testituotteen kehittämiseen yhdessä EBV:n ja useiden muiden yritysten kanssa. Tavoitteena on kiinnittää markkinoiden huomio mahdollisuuksiin yhdistää tehokkaat LED-rakenteet ja IMS-tekniikat.

Tuotteen tärkein osa eli lämpöä johtava prepreg-välikerros on keraaminen tai booritäytteinen materiaali, joka on valmistettu erityisesti suurten lämpömäärien siirtämiseen. Sen lämmönjohtavuus on usein 8-12 kertaa suurempi kuin FR4:n.

IMS-piirilevyjen lämmönsiirtoedut

IMS-piirilevy voidaan suunnitella hyvin pienellä lämpöresistanssilla. Jos verrataan esimerkiksi 1,60 mm paksua FR4-piirilevyä IMS-piirilevyyn, jossa on 0,15 mm:n thermal prepreg-välikerros, lämpöresistanssi voi hyvinkin olla yli 100 kertaa suurempi kuin FR4-piirilevyssä. FR4-tuotteessa suuren lämpömäärän poisto olisi hyvin vaikeaa.

NCAB tarjoaa laajan materiaalivalikoiman, joka täyttää lähes kaikki asiakkaiden tarpeet – olipa kyseessä sitten tietty merkki tai IPC-4101-luokitukseen ja materiaalien ominaisuuksiin perustuva tuotemerkki, kuten edellä kuvattu. Käytettävissä olevat materiaalit luokitellaan neljään ryhmään – vakio (laajalti saatavilla), vaativammat (erikoismateriaali harvemmissa tehtaissa), joustava ja IMS.

Vaihtoehtoinen ratkaisu on yhdistää FR4-materiaaliin esimerkiksi lämpöä johtavalla pastalla täytettyjä läpivientejä, jotka parantavat piirilevyn lämpöominaisuuksia. Tämä on usein kustannustehokkain ratkaisu käytettäessä perinteistä FR4-tekniikkaa.

Materiaalisuosituksia

Seuraavassa on esitetty materiaalisuosituksia eri olosuhteisiin ja eri teknologioille. On tärkeää huomata, että näitä tulee pitää vain ohjeellisina suosituksina. Suosittelemme myös, että asiakas arvioi omat prosessinsa ja määrittää tekijät, joita materiaalien tulee kestää, kuten prosessien huippulämpötilat, Tg, Td-, T260- ja T288-vaatimukset.

Materiaalit standardin IPC 4101/121 mukaan (min. Tg 130 celsiusastetta)

Total thickness ≤ 1.60mm
Number of layers1 to 4
Copper< 70µm

Materiaali standardin IPC 4101/99 tai /124 mukaan

Total thickness ≤ 2.40mm
Number of layers6 to 12
Copper≤ 70µm
Blind / Buried vias / µvias

Materiaali standardin IPC 4101/126 tai /129 mukaan  

Total thickness>2.40mm
Number of layers12+
Copper> 70µm
Blind / Buried vias / µvias

NCAB:n käytännön kokemus on osoittanut, että kun käytetään perusteknologioita kontrolloidussa ladonta-/juotosympäristössä ja vähemmän edistyneissä toimintaympäristöissä, standardin IPC-4101C /21 mukainen materiaali saattaa toimia myös lyijyttömässä ympäristössä.

Alemmat FR-4-luokan materiaalit, jotka NCAB on hyväksynyt materiaalilistalleen kussakin tehtaassa, täyttävät periaatteessa standardin /121 useimpien kohtien vaatimukset. Poikkeuksena on delaminoitumisaika T260 °C tai T288 °C lämpötiloissa. Tällöin voi olla tarpeen käyttää korkeamman luokan materiaaleja.