O que é substrato PCB?
O substrato PCB é o material fundamental utilizado na fabricação de placas de circuito impresso (PCBs). Normalmente, o substrato é um laminado revestido de cobre (CCL), que é processado seletivamente com técnicas como perfuração, revestimento químico de cobre, galvanoplastia e gravação para obter o padrão de circuito desejado para PCBs de um ou dois lados. O substrato desempenha as funções de condutividade, isolamento e suporte. O desempenho, a qualidade, o processamento durante a fabricação, o custo de fabricação e o nível de fabricação das PCBs dependem fortemente do material do substrato.
História do desenvolvimento do substrato PCB
A tecnologia e a produção de materiais de substrato passaram por meio século de desenvolvimento, com a produção anual global atingindo 290 milhões de metros quadrados, impulsionada pelos desenvolvimentos inovadores em produtos eletrônicos, tecnologia de fabricação de semicondutores, tecnologia de montagem eletrônica e tecnologia PCB.
Desde o uso prático de placas laminadas revestidas de cobre feitas de substratos à base de resina fenólica em 1943, o desenvolvimento de materiais de substrato tem sido muito rápido.
Em 1959, a Texas Instruments produziu o primeiro circuito integrado, o que aumentou a exigência de montagem de PCB com maior densidade, promovendo a criação de placas multicamadas.
Em 1961, a Hazeltine Corporation, nos Estados Unidos, desenvolveu com sucesso a tecnologia de placas multicamadas usando o processo de metalização por furos passantes.
Em 1977, a resina BT alcançou a produção industrial, fornecendo um novo tipo de material de substrato com Tg alto e baixo para o desenvolvimento de placas multicamadas em todo o mundo.
Em 1990, a IBM no Japão anunciou uma nova tecnologia para placas multicamadas usando um método de empilhamento de camadas com resina fotossensível como camada isolante.
Em 1997, a tecnologia de placas multicamadas de interconexão de alta densidade, incluindo placas multicamadas com camadas empilhadas, entrou em uma fase de desenvolvimento maduro. Enquanto isso, os substratos de embalagem plástica, representados por BGA e CSP, tiveram um rápido desenvolvimento. No final da década de 1990, novos tipos de substratos, como substratos retardantes de chamas verdes sem bromo e antimônio, surgiram rapidamente e entraram no mercado.
Diferentes tipos de materiais de substrato PCB
As placas de circuito impresso podem ser geralmente classificadas em duas categorias com base nos materiais do substrato: materiais de substrato rígido e materiais de substrato flexível. A variedade mais importante de materiais de substrato rígido é o laminado revestido de cobre (CCL), que é feito por material de reforço imerso em adesivo de resina, seco, cortado, laminado e, em seguida, coberto com folha de cobre. É formado sob alta temperatura e pressão usando uma placa de aço como molde em uma prensa quente. Folhas semi-curadas de CCL, feitas principalmente de tecido de vidro impregnado com resina, são usadas para produzir a maioria das placas multicamadas.
| Substrate Material | Description |
|---|---|
| Rigid Substrates | Non-flexible materials that withstand high temperatures and pressures. |
| Copper-Clad Laminate (CCL) | The main rigid substrate made by laminating copper foil onto resin-impregnated reinforcement material. |
| Flexible Substrates | Thin, lightweight materials that can bend or fold. |
| Reinforcement Materials | Paper, glass fiber cloth, composite-based (CEM series), and special materials (ceramic, metal core, etc.). |
| Resin Types | Phenolic, epoxy, polyester, and others. |
| Flame-Retardant Types | UL94-V0 (flame-retardant) and UL94-HB (non-flame-retardant). |
| Environment-Friendly CCL | Flame-retardant CCL without brominated compounds. |
| Performance-Based | General, low Dk, high heat-resistant (>150°C), low expansion CCLs, and others. |
Fatores a considerar ao escolher o material do substrato PCB
Você pode perguntar quais fatores devem ser considerados ao selecionar o substrato da placa de circuito impresso. Bem, isso dependerá da aplicação da sua placa de circuito. Mas existem algumas características importantes do material que afetariam o desempenho da sua placa de circuito impresso. Você deve considerá-las antes de tomar uma decisão.
Constante dielétrica
Esta é a principal característica elétrica a ser considerada ao projetar laminados para PCBs de alta velocidade/alta frequência. A constante dielétrica é uma quantidade complexa que é função da frequência e causa dispersão nos substratos de PCB nas seguintes formas:
Dispersão de velocidade: como a constante dielétrica é uma função da frequência, diferentes frequências sofrerão diferentes níveis de perda e se propagarão em diferentes velocidades.
Dispersão de perda: a atenuação sofrida por um sinal também é uma função da frequência. Um modelo simples de dispersão sugere que a perda aumenta com o aumento da frequência, mas isso não é estritamente correto, e pode haver relações complexas entre a perda e o espectro de frequência em alguns laminados.
Ambos os efeitos contribuem para o grau de distorção que um sinal sofre durante a propagação. A dispersão é irrelevante para sinais analógicos que operam em larguras de banda muito estreitas ou em uma única frequência. No entanto, ela é crítica para sinais digitais e é um dos principais desafios na modelagem de sinais digitais de alta velocidade e no projeto de interconexões.
Estilo de tecido de vidro
O estilo de tecido de vidro cria espaços no substrato da placa de circuito impresso, o que está relacionado com o teor de resina na placa. A combinação da proporção volumétrica do vidro e da resina de impregnação determina a constante dielétrica média do volume do substrato. Além disso, as lacunas no estilo de tecido de vidro produzem um fenômeno chamado efeito de tecido de fibra, em que a constante dielétrica do substrato varia ao longo da linha de interconexão, causando distorção, ressonância e perdas. Esses efeitos tornam-se proeminentes em frequências de cerca de 50 GHz ou superiores, afetando sinais de radar, Gigabit Ethernet e sinais típicos de canal SerDes LVDS.
Rugosidade do cobre
Embora essa seja, na verdade, uma característica estrutural dos condutores de cobre impressos, ela contribui para a impedância da interconexão. A rugosidade da superfície do condutor aumenta efetivamente sua resistência ao efeito pelicular em altas frequências, resultando em correntes parasitas induzidas durante a propagação do sinal, causando perda. A gravação do cobre, os métodos de deposição do cobre e a superfície do pré-impregnado afetam, em certa medida, a rugosidade da superfície.
Condutividade térmica e calor específico
A quantidade de calor necessária para elevar a temperatura da placa em um grau é quantificada pelo calor específico do substrato, enquanto a quantidade de calor transmitida através da placa por unidade de tempo é quantificada pela condutividade térmica. Essas propriedades do material PCB determinam conjuntamente a temperatura final da placa de circuito quando ela atinge o equilíbrio térmico com o ambiente durante a operação. Se você implantar sua placa de circuito em um ambiente que exija rápida dissipação de calor para um grande dissipador de calor ou gabinete, você deve usar um substrato com maior condutividade térmica.
Temperatura de transição vítrea e coeficiente de expansão térmica (CTE)
Essas duas características do material PCB também estão relacionadas. Todos os materiais têm um coeficiente de expansão térmica (CTE), que é precisamente a quantidade anisotrópica nos substratos de PCB (ou seja, a taxa de expansão é diferente em diferentes direções). Quando a temperatura da placa de circuito excede a temperatura de transição vítrea, o CTE começa a desempenhar um papel, afetando a confiabilidade da placa. Portanto, é importante selecionar um substrato com uma temperatura de transição vítrea e CTE adequados que atendam aos requisitos ambientais do PCB.
