Materialval för mönsterkort

Att välja ytbehandling och optimera designen är viktiga steg för att säkerställa din produkts funktion, men räcker det? Nej, du måste även se till att materialet är specificerat, tillgängligt i fabriken och att fabriken är UL-godkänd för att stödja det valda materialet.

Vi vet att det är många val att göra när det gäller material och med vår tekniska kunskap kan vi hjälpa till att guida och stötta i vilka material du ska välja och hur materialet ska specificeras.

Rigida material

Hur ska material specificeras?

Vår rekommendation är att om möjligt inte specificera ett specifikt varumärke eller typ av material. När ett specifikt fabrikat är specificerat begränsar detta fabriksvalet när det gäller vem som kan producera korten. Anledningen till detta är att våra fabriker har många välkända fabrikat som är likvärdiga eller bättre, som uppfyller kravbilden, i sitt standardsortiment. Tillgänglighet och pris kan då bli en faktor för vilket material som kommer att användas.

Detta betyder absolut inte att du inte kan ange ett specifikt material/typ. Om du har erfarenhet av ett material som du vet fungerar bra för din produkt så kan du enkelt i specifikationen referera med en kommentar ”eller likvärdigt”. Då kan NCABs teknikteam granska och erbjuda dig alternativ som klarar de funktionella kraven utan att kompromissa med prestandan.

Alla välkända materialtillverkare har sina produkter kategoriserade enligt IPC 4101 (specifikation för basmaterial för rigid och multilayer) och målet med denna specifikation är att identifiera och kategorisera prestandamöjligheter. Att använda detta kategoriseringssätt är idealiskt eftersom egenskaperna hos basmaterialet definieras i detalj och att låta fabriken följa IPC-4101-xxx kategorin möjliggör för dem att välja på ett klokt sätt och garantera att prestandan blir den förväntade.

Om du vill ha mer information om IPC-4101 eller hjälp med hur man ska specificera materialval, kontakta oss gärna så hjälper vi till.

Viktiga faktorer för att specificera materialegenskaper

När man beaktar egenskaperna hos basmaterialet, bör hänsyn tas till både mekaniska egenskaper (särskilt i förhållande till vad som ska hända med materialet under värmecykling / lödningsoperationer) och även de elektriska egenskaper som förknippas med materialet. Dessa anses normalt sett vara de vanligaste faktorerna för val av standardprodukter. Denna kommentar är baserad på allt material som anses kunna möta UL-brandfarlighet med betyget V-0.

Viktiga materialegenskaper:

  • 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

Tabellen nedan är ett utdrag av vissa egenskaper från IPC-4101 klassifikationer, och belyser några av de detaljer som redan refererats till.

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

Materialrekommendationer

Materialrekommendationer för olika typer av kort ges nedan. Det är viktigt att du är medveten om att detta bara är ”grova” rekommendationer. Vi rekommenderar alltid att produktägaren utvärderar sin produktionsprocess och driftsmiljö, t.ex. högsta temperatur i lödprocessen och antalet lödoperationer så att valt material ger önskad tillförlitlighet/livslängd.

Material enligt IPC 4101/121 (minsta Tg 130 °C)

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

Material enligt IPC 4101/99 eller /124

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

Material enligt IPC 4101/126 eller /129

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

NCABs erfarenheter visar att material – i kontrollerad monterings-/lödningsmiljö och för gynnsammare driftsmiljöer – som hör till IPC-4101C /21 tillsammans med enkel teknik även kan fungera i blyfri miljö.

De lägre FR4-kvaliteterna som NCAB har godkänt i sin materiallista på varje fabrik uppfyller i princip IPC-4101C /121 på de flesta punkter. Detta gäller med undantag av tiden till delaminering vid T260 eller T288 °C.

IMS – effektiv teknik för värmeavledning

Nya möjligheter med Insulated Metal Substrate

För större energimängder eller vid lokal termisk belastning, t. ex. vid konstruktioner med högeffektslysdioder, kan man med fördel använda s.k. IMS-teknik. Förkortningen IMS står för ”Insulated Metal Substrate”. Det är ett mönsterkort uppbyggt av en metallplatta – normalt aluminium – där en kopparfolie limmats fast med ett speciellt prepreg, vars främsta egenskaper är en mycket god värmeledningsförmåga och hög genomslagstålighet mot höga spänningar. NCAB har tillsammans med EBV och en rad andra företag varit med i utvecklingen av en demoprodukt, för att marknaden skall få upp ögonen för möjligheten att kombinera högintensiva lysdioder och IMS-teknologin.

Den viktigaste beståndsdelen – det värmeledande prepreget – är ett keramiskt eller boronfyllt material, speciellt framtaget för att kunna avleda stora mängder värme. Värmekonduktiviteten ligger ofta 8-12 gånger högre än på ett FR4 material.

Fördelar med IMS-kort

Ett IMS-kort kan konstrueras med en mycket låg termisk resistans jämfört med FR4. Eftersom det termiska prepreget eller limskiktet är mycket tunt så blir den termiska resistansen låg. Om man till exempel skulle jämföra ett 1.60 mm tjockt FR4-kort med ett IMS-kort där ett 0.15 mm termiskt prepreg använts kan mycket väl den termiska resistansen vara mer än 100 gånger högre än i FR4-kortet. I FR4-produkten skulle man ha mycket svårt att leda bort någon större mängd värme.

NCAB erbjuder ett brett utbud av material som täcker nästan varje kundbehov – antingen genom ett exakt angivet materialfabrikat/typ eller som sagts ovan genom ett motsvarande val baserat på IPC-4101 klassificeringen / materialegenskaper. Materialen kategoriseras i fyra avsnitt: standard (tillgängligt överallt), avancerad (specifika för ett mindre antal fabriker), flex och IMS. En annan lösning är att kombinera FR4-material där viahålen har pluggats med en termiskt konduktiv pasta, vilket ger mönsterkortet bättre termiska egenskaper än normalt.

BRA ATT TÄNKA PÅ:
Vid specificering av materialegenskaper är det viktigt att ta hänsyn till både de mekaniska – särskilt i förhållande till vad som ska hända med materialet under värmecykling / lödningsoperationer – och elektriska egenskaperna hos materialet.

Ring oss på 08-4030 0000 så hjälper vi gärna till om du behöver lite mer specifik hjälp!