Alp Efendioğlu 0 Yorumlar

PCB’de Malzeme Seçimi ve Önemli Terimler

Merhabalar.

Bugün PCB’de doğru malzeme seçiminin ve stackup düzeninin öneminden bahsedeceğiz.

Malzeme seçimi PCB kavramının oluştuğu günden bu yana her geçen gün önemini daha da arttırmaktadır. Başlıca nedenlerinden biri ise gelişen teknoloji ile birlikte PCB üzerindeki iletim hatlarında sinyallerin frekanslarının artması ve dolayısı ile bu sinyalleri daha iyi bir şekilde kanal boyunca iletebilmektir. Bunun yanında çalışılacak ortamın termal koşulları, mekanik koşulları, kimyasal koşulları gibi birçok neden daha sıralanabilir.

Materyal seçimi bir PCB sürecinin en önemli aşamalarından biridir. Amacımız, tasarlanacak PCB’ye göre doğru materyali seçmek olmalıdır. Materyalimiz projemiz için elektriksel, termal ve mekaniksel olarak tasarımımızın gerekliliklerini karşılamalıdır. İlk paragrafta belirttiğim gibi eğer yüksek hızlı sinyaller ile uğraşıyor isek materyal seçimimiz çok büyük önem arz etmektedir. Seçtiğimiz materyal final üründe ne kadar kaliteli bir PCB çıkacağını belirler.

BASKI DEVRE KARTI BİLEŞENLERİ

Bir Baskı Devre Kartı temel anlamda 3 maddeden oluşur:

  • Prepreg

Prepreg, temelinde bir örgü cam kumaştır. Belirtilen örgü, tam kürlenmemiş bir reçine ile güçlendirilir. B-stage materyal olarak da adlandırılır. Yalıtkan bir materyaldir ve PCB’de bakır katmanları birbirinden ayırmak için kullanılır. Açılımı pre-impregnated’dır.

Aşağıdaki figürde prepreg’in nasıl üretildiğini görebiliriz. Kısaca açıklamak gerekirse elimizde dokuma cam elyaf var, bunu reçine ile emdiriyoruz. PCB’lerde kullanılan prepreg elde etmiş oluyoruz.

Aşağıdaki resimde prepreg rulolarının görseli görülebilir.

Prepreg yapışkan bir malzemedir dolayısı ile farklı laminelere veya folyolara yapıştırılabilir. Prepregler örgü sıklıklarına ve reçine miktarlarına göre sınıflandırılırlar. Aşağıdaki resimde bir sınıflandırma görseli mevcuttur.

  • Copper Foil

Adından da anlaşılacağı üzere bakır folyodur. Elektrik akımının akabileceği bir ortam sağlamak ile yükümlüdür. PCB üzerindeki yollar tüm haldeki bakır folyodan aşındırılarak elde edilir. Dolayısıyla hem akım hem de haberleşme sinyalleri bu aşınan ve yol olarak adlandırılan bakırlar üzerinden taşınır. 2 katman ve üstü PCB’lerde bu bakırlar via denilen iletken kaplı delikler ile birlikte birbirlerine bağlanırlar. Via’ları bir önceki yazımda detaylı bir şekilde anlatmıştım. Okuyabilirsiniz. Aşağıda bir bakır folyo görseli bulunmaktadır.

  • Copper Clad Laminates (Core)

Core materyaller aslında üstte anlattığım 2 maddenin birleşmiş halidir. Üstte ve altta birer bakır folyo ve ortalarında prepreg bulunur. Bunlar uygun şekilde lamine edilmiş ve kürlenmiş halde bulunurlar. Core için çeşitli kalınlıklar, epoksi çeşitleri ve örgü çeşitleri mevcuttur. PCB tasarımcısı kendisi için en uygun kombinasyonu seçmeli ve kendi kombinasyonuna göre üreticisini bulmalıdır. Core yapımında ilk önce üst üste bindirilmiş camfiber ile bir iskelet oluşturulur, bu tabaka genelde epoksi reçine ile emdirilir ve bir ana prepreg tabakası oluşturulur. Ardından bu tabakanın iki tarafına bakır folyo bağlanır ve bu da bizim core elde etme sürecimizi belirtir. İlk görsel üzerinde core’u inceleyebilirsiniz.

TERMAL ÖZELLİKLER

Gelelim PCB Malzeme seçiminde termal olarak dikkat edeceğimiz kavramlara. Eğer olağandışı koşullarda PCB çalışacaksa termal özellikler özellikle dikkate alınmalı. Bilinmesi gereken bazı maddeler şunlardır:

  • Glass Transition Temperature (Tg)

Genelde karşılaştığımız Baskı Devre Kartları sert ve rigid haldedir, bu şekilde de kalması istenir. Glass Transition Değeri işte tam bu noktada devreye giriyor. Eğer devremizin sıcaklığı Tg değerini aşarsa PCB’miz yumuşamaya başlıyor ve kauçuk duruma geçiyor. Dolayısı ile istenmeyen bir durum ortaya çıkıyor. Tg değerinin tekrar altına inildiğinde eski katı haline geri dönüyor. Glass Transition Temperature için genelde 135 °C, 150 °C ve 170 °C gibi değerler olmaktadır. Tasarımcı, PCB’nin çalışacağı ortama göre değeri optimize etmelidir.

  • Decomposition Temperature (Td)

Decomposition Temperature ise adından da anlaşılacağı üzere PCB’nin bozunduğu derecedir. PCB’nin sıcaklığı bu sıcaklığın üzerine çıktığında geri dönülemez şekilde bozunacaktır. Bu bozunma aşamasında PCB bir kütle kaybı yaşar çünkü bozunma sırasında içerisindeki yapı bozulur ve tepkime ile havaya gaz salar. PCB dizgisi elle yapılıyorsa da bu değere dikkat edilmeli, genelde Decomposition Temperature, dizgi sıcaklığından daha üst bir değer olduğu için sorun yaşanmamaktadır.

  • Coefficient of Thermal Expansion (CTE)

Materyaller ısındıkça genleşirler. PCB’ler de aynı şekildedir. CTE, parts per million (ppm) olarak ifade edilir ve bu değer her bir celcius derece artışında ifade edilir. Genelde kullandığımız substratın CTE değeri, kullandığımız bakırınkinden daha yüksektir. Dolayısıyla, substrat ısındıkça bakıra göre daha fazla genişler. Bu da istenmeyen kısa devre sorunlarına yol açabilir. X ve Y yönünde oldukça düşük bir artış meydana gelmektedir. Sebebi ise örgü camın X ve Y yönünde büyümeyi kısıtlamasıdır. X ve Y yönünde celcius başına yaklaşık 10 – 20 ppm genişleme görülür. Genişlemenin önemli olduğu yön Z eksenidir. Tasarımcı tarafından seçilen materyalin Z ekseninde CTE değerinin düşük olması oldukça elzemdir.

  • Termal İletkenlik (Thermal Conductivity)

Materyalin ne kadar ısı iletebildiğinin bir göstergesidir. Düşük termal iletkenlik malzemenin düşük bir ısı transferi yapabildiğini söyler, yükseği de tam tersi. Dolayısıyla, çalışırken soğumayan bir güç kartımız var ise alınabilecek aksiyonlardan biri de Termal İletkenlik katsayısının daha yüksek olduğu bir materyal seçmek olabilir. “k” harfi ile gösterilir ve birimi Metre Kelvin başına Watt’tır, yani W/mK’dir.

PCB dielektrik materyallerinin termal iletkenlik aralığı genelde 0.3 – 0.6 W/mK aralığındadır. Bakır’ınki ise bu değere göre çok daha yüksektir. Yaklaşık olarak 386 W/mK’dir. Dolayısıyla, bakır ısıyı daha iyi atarken substratımız çok daha yavaş atmaktadır.

ELEKTRİK ÖZELLİKLERİ

  • Dielektrik katsayısı veya relatif geçirgenlik (Er veya Dk) 

Materyalin elektrik geçirgenliğinin serbest uzayın elektrik geçirgenliğine oranı olarak ifade edilir. Piyasada görülen materyallerin genellikle relatif geçirgenlik katsayısı 2.5 ve 4.5 aralığındadır.

Dielektrik katsayısı frekansın değişimi ile değişim gösterir. Genelde frekans arttığında dielektrik katsayısı düşmektedir. Frekans bağlı olarak değişimin miktarı da substrattan substrata değişim gösterebilir. Frekans değişimine karşı dielektrik sabitini iyi koruyabilen materyaller tercih edilmelidir.

  • Dielectrik Kayıp Faktörü veya Enerji Kaybı Faktörü (Tan δ veya Df)

Dielektrik Kayıp Faktörü dielektriğin içerisindeki rezistif ve reaktif akımların arasındaki faz açısıdır. Dolayısı ile faz açısını arttırdığımızda yaşayacağımız dielektrik kaybı daha yüksek olmaktadır. Enerji Kaybı faktörü daha düşük olan bir substrata daha hızlı bir substrat, daha yüksek olan bir substrata ise daha yavaş bir substrat diyebiliriz. Df bize dielektrik materyal içerisindeki güç kaybını söyler. Dielektrik katsayısı gibi frekansa bağlıdır. Frekans arttığında Df de artar frekans azaldığında da aynı şekilde azalır. Genellikle Dk değeri düşük olan materyallerde Df değeri de düşük olmaktadır. Dk ve Df değerleri düşük olan materyallar yüksek hızlı sinyal içeren PCB’lerin vazgeçilmezleridir. Df değer aralığı genelde 0.0001 – 0.03 aralığındadır.

PCB ÜZERİNDE SİNYAL KAYIPLARI

PCB materyali yüksek hızlı sinyal içeren devrelerde sinyal bütünlüğünün korunması için elzemdir. Dolayısı ile sinyal kaybını azaltmak ve sinyal bütünlüğünü korumak için doğru materyal seçmemiz gerekmektedir. PCB substratları için sinyal kaybını 2 parçaya ayırabiliriz:

  • Dielektrik Kaybı

Yalıtkan materyaller polarize moleküllerden yapılmaktadır. Bu moleküller PCB üzerindeki yollardaki zamanla değişen sinyallerin oluşturduğu elektrik alan nedeniyle titreşmektedirler. Bu da dielektrik materyali ısıtmakta ve sinyalde dielektrik sinyal kaybına yol açmaktadır.Bahsettiğimiz sinyal kaybı frekansın artışıyla birlikte artmaktadır. Bu kaybı azaltmak için de düşük Df değerine sahip bir materyal seçmemiz gerekmektedir. 

  • Bakır Kaybı veya Skin Effect Kaybı

Bakır kaybı, iletkenden akan akımla ilgili bir kavramdır. Elektronlar her zaman yolun merkezinden akmazlar. Akım, frekans arttıkça bakırın en altından akmaya meyillidir. Bundan dolayı skin effect denmektedir. Dolayısıyla akımın geçtiği yüzey alanı daralmakta, direnç artmakta ve kayıplara neden olmaktadır. Bir çözümü yolun kalınlığını arttırmaktır. Geniş yüzeyli yollar her zaman daha düşük skin effect kaybına uğrarlar.

PCB MATERYAL KATEGORİLERİ

PCB’ler kayıp türlerine ve üzerinde iletilecek olan sinyal hızlarına göre 4 kategoriye ayrılabilirler:

  • Normal hız ve normal kayıp

Bu tür materyaller en yaygın olan materyallerdir. Hemen hemen herkesin aşina olduğu FR4 malzeme bu kategoriye girmektedir. Dielektrik sabitleri genelde 4.2 – 4.3 civarında olmaktadır ve yüksek dielektrik kayıp değerleri vardır. Dolayısıyla, birkaç GHz frekanstan fazlası olacaksa PCB üzerinde, bu kategoriden bir malzeme seçmeniz çok uygun değildir.

  • Orta seviye hız ve orta seviye kayıp

Bir önceki kategoriye göre daha düşük dielektrik katsayısı ve dielektrik kaybı içeren materyalleri içerir. Genelde 10 GHz seviyesine kadar önerilirler. 

  • Yüksek seviye hız ve düşük kayıp

Bir önceki kategoriye göre daha düşük dielektrik katsayısı ve dielektrik kaybı içeren materyalleri içerir. Genelde 10 ve 30 GHz seviyesi aralığında önerilirler. 

  • Çok yüksek seviye hız ve çok düşük kayıp

Genelde RF ve mikrodalga konseptli kartlarda kullanılırlar. Sinyal iletimi oldukça başarılıdır ve kayıpları çok azdır. 30 GHz ve üstü hızlarda önerilirler.

BAKIR FOLYO SEÇİMİ

Tasarımcının kullanılacak bakır folyo seçerken dikkat etmesi gereken bazı özellikler vardır. Bunlar:

  • Bakır Kalınlığı

Bakır folyoda olan bakır kalınlığıdır. “oz” olarak adlandırılırlar. Genelde 0.25 oz’dan 5 oz’a kadar kalınlık yelpazesi vardır. PCB’nin özelliklerine göre karar verilmesi elzemdir.

  • Bakır Saflığı

Bakır folyonun üzerinde bulunan bakırın oranıdır. Elektronik sınıf bakır folyolarda saflık yaklaşık olarak %99.7’dir.

Evet, yazımızı burada noktalıyoruz. Doğru malzeme seçimi hayat kurtarır 🙂 Sağlıcakla.

Share this content: