Basismaterialen van printplaten

De keuze van de oppervlakteafwerking en de optimalisatie van het ontwerp zijn belangrijke stappen om te garanderen dat uw product goed presteert, maar houdt het proces daar ook op? Nee, u moet ook zeker zijn dat het gespecificeerde materiaal beschikbaar is in de fabriek en dat de fabriek UL-gecertificeerd is om het materiaal te ondersteunen.

NCAB beseft dat er een waaier aan basismaterialen beschikbaar is en dankzij onze technische knowhow kunnen wij u begeleiden bij de keuze en specificatie van uw materiaal.

Stijf materiaal

Hoe materiaal te specificeren?

Wij raden aan om niet zomaar één specifiek merk of type materiaal te specificeren waar mogelijk, omdat dit uiteindelijk de productieketen kan beperken wat betreft wie het project kan ondersteunen. De reden hiervoor is dat, hoewel er veel bekende materiaalmerken zijn die vaak worden gebruikt binnen onze fabrieken, in sommige gevallen fabrieken verschillende voorkeursmerken of -materialen hebben om de vereiste materiaalspecificaties te bereiken. In dergelijke situaties worden de beschikbaarheid, en inderdaad ook de prijs, factoren die mee helpen bepalen welk merk zal worden gebruikt.

Dit betekent natuurlijk niet dat u bekende materialen niet mag specificeren. Als u uit ervaring weet dat een bepaald materiaal goed werkt voor uw product, kunt u hier gewoon naar verwijzen met daarbij de opmerking “of equivalent”. Vervolgens zullen de technici en inkoopteams van NCAB dit controleren en een alternatief aanbieden dat voldoet aan de functionele vereisten zonder aan prestaties te verliezen.

De producten van bekende materiaalfabrikanten zijn steeds conform de norm IPC 4101 (specificatie voor basismaterialen voor stijve en meerlaagse printplaten), die dient ter identificatie en categorisatie van de prestatie-eigenschappen. Deze categorisatieaanpak is ideaal omdat hij de eigenschappen van het basismateriaal in detail definieert en omdat hij de fabriek in staat stelt om de IPC-4101-xxx-categorisatie te volgen, waardoor zij een geïnformeerde keuze kan maken om te voldoen aan de vereiste prestaties.

Als u graag meer informatie wenst over IPC 4101 of specificatiemethodes voor materialen, neemt u contact op met de NCAB Group. Wij helpen u graag verder.

Belangrijke factoren voor de specificatie van materiaaleigenschappen

Bij het overwegen van de prestatie-eigenschappen van het basismateriaal moet gelet worden op zowel de mechanische (specifieker gezegd, hoe het materiaal zal presteren tijdens warmtecycli/het solderen) als de elektrische eigenschappen van het materiaal. Dit zijn doorgaans de meestvoorkomende factoren bij de selectie van standaardproducten. Hierbij wordt verondersteld dat al het materiaal voldoet aan UL-vlambaarheidsgraad V-0.

De belangrijkste materiaaleigenschappen worden hieronder opgesomd.

  • 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

Onderstaande tabel is een uittreksel van bepaalde eigenschappen van IPC-4101-classificaties, ter illustratie van bepaalde eerder vermelde details.

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

Insulated Metal Substrate (IMS) – doeltreffende technologie voor warmteafvoer

Nieuwe mogelijkheden dankzij Insulated Metal Substrate

Voor grotere hoeveelheden energie of lokale thermische belastingen, bijv. in moderne constructies met hoge-intensiteitsleds, kan IMS-technologie worden gebruikt. De afkorting IMS staat “Insulated Metal Substrate”. Dit is een printplaat die wordt gebouwd op een metalen plaat – meestal aluminium – waarop een speciaal prepreg wordt aangebracht, dat een uitstekende warmteafvoer en een bijzonder goede diëlektrische weerstand tegen hoge spanning biedt. Samen met EBV en een aantal andere bedrijven heeft NCAB deelgenomen aan de ontwikkeling van een demoproduct. Het doel hiervan is om de aandacht van de markt te vestigen op de mogelijkheden van de combinatie van hoge-intensiteitsleds met IMS-technologie.

Het belangrijkste onderdeel – het warmtegeleidende prepreg – is een keramisch of met borium gevuld materiaal dat speciaal wordt geproduceerd om grote hoeveelheden warmte af te voeren. Het warmtegeleidingsvermogen is vaak 8-12 keer groter dan dat van een FR4.

De voordelen van IMS-printplaten voor warmteafvoer

Een IMS-printplaat kan worden ontworpen met een zeer lage thermische weerstand. Een vergelijking tussen een FR4-printplaat van 1,60 mm en een IMS-printplaat met een thermische prepreg van 0,15 mm maakt bijvoorbeeld al snel duidelijk dat de thermische weerstand meer dan 100 keer groter is dan die van de FR4-printplaat. In het FR4-product zou het zeer moeilijk zijn om grotere hoeveelheden warmte af te voeren.

NCAB kan een brede waaier aan materialen bieden om te voldoen aan bijna alle behoeften van onze klanten – ofwel met het exacte merk, ofwel met een equivalent op basis van de IPC-4101-classificatie/eigenschappen van het materiaal, zoals hierboven vermeld. De beschikbare materialen worden onderverdeeld in vier categorieën: standaard (op grote schaal beschikbaar), geavanceerd (enkel bij een kleiner aantal specifieke fabrieken), flexibel en IMS.
Een andere oplossing is bijvoorbeeld om het FR4-materiaal te combineren met via’s, die worden gevuld met thermisch geleidende pasta, wat de printplaat een beter geleidingsvermogen geeft dan normaal. Dit is vaak een kostenefficiëntere oplossing, aangezien FR4-technologie wordt gebruikt.

STOF TOT NADENKEN:
Bij het overwegen van de prestatie-eigenschappen van het basismateriaal moet gelet worden op zowel de mechanische (specifieker gezegd, hoe het materiaal zal presteren tijdens warmtecycli/het solderen) als de elektrische eigenschappen van het materiaal.

Als u specifieke vragen hebt over basismaterialen, neemt u het best contact op met uw lokale NCAB Group locatie.

Aanbevelingen voor materialen

Hieronder vindt u aanbevelingen voor materialen voor gebruik onder verschillende omstandigheden en met verschillende technologieën. Opgemerkt zij echter dat dit zeer globale aanbevelingen zijn. We raden klanten dan ook aan om hun proces te evalueren en de factoren vast te stellen waartegen de materialen bestand moeten zijn, zoals piektemperatuur en tijd boven liquidus, en rekening te houden met de eisen voor Td, T260 en T288.

Materialen volgens IPC 4101/121 (min. Tg 130°C)

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

Materialen volgens IPC 4101/99 of /124

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

Materialen volgens IPC 4101/99 of /124 

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

Ervaring bij NCAB leert dat materiaal dat onder IPC-4101C/21 valt in een gecontroleerde assemblage-/soldeeromgeving en onder minder geavanceerde bedrijfsomstandigheden samen met een basistechnologie ook kan werken in een loodvrije omgeving. De mindere kwaliteiten FR-4 die door NCAB zijn goedgekeurd in onze materiaallijst voor elke fabriek voldoen in principe op de meeste punten aan /121. Dat is met uitzondering van tijd tot delaminatie bij T260 °C of T288 °C. Op dat punt kan het nodig zijn om hoogwaardige materialen te gebruiken.