Z czego wykonane są płytki drukowane? Przewodnik dla twórców PCB po materiałach na płytki

Zapytaj większość inżynierów, z czego wykonana jest płytka drukowana, a otrzymasz jedno słowo: włókno szklane. Ta odpowiedź jest poprawna, ale obejmuje tylko pierwszą warstwę dłuższej historii. Płytka drukowana to starannie zaprojektowany stos materiałów i każdy z nich musi znaleźć swoje miejsce. Podłoże nadaje płytce obudowę i izolację elektryczną, miedź przewodzi prąd, maska ​​lutownicza chroni powierzchnię, a końcowe wykończenie sprawia, że ​​miedź nadaje się do lutowania przez lata.

Od 2013 roku w naszym zakładzie w Guangde produkujemy deski, od prostych jednostronnych paneli po stosy 32-warstwowe, dlatego zazwyczaj odpowiadamy na to pytanie w sposób, w jaki robi to producent. Prawdziwym pytaniem nie jest to, z czego w ogóle wykonana jest płytka PCB, ale jaka kombinacja materiałów przetrwa w środowisku produktu przez oczekiwany okres jego użytkowania.

Podstawowe składniki płytki drukowanej

Pozbądź się żargonu i prawie każda deska jest zbudowana z tej samej krótkiej listy materiałów:

• Podłoże: podstawa izolacyjna, zwykle tkane włókno szklane połączone żywicą epoksydową.
• Folia miedziana: laminowana na podłożu i wytrawiona w ślady, podkładki i płaszczyzny.
• Powłoka: miedź, a czasem cyna lub złoto, osadzana w wywierconych otworach w celu połączenia warstw.
• Maska lutownicza: kolorowa powłoka pokrywająca wszystko oprócz pól, które należy lutować.
• Sitodruk: drukowana legenda identyfikująca komponenty i oznaczenia referencyjne.
• Wykończenie powierzchni: cienka warstwa metaliczna lub organiczna, która zapobiega utlenianiu odsłoniętej miedzi.

Każdy z tych materiałów można wymienić, ulepszyć lub pogrubić, a każde zastąpienie zmienia jednocześnie koszt, możliwości produkcyjne i niezawodność w terenie.

Podłoże: tkanina szklana, żywica i alternatywy

Standardowy FR-4 zaczyna się od tkanej tkaniny szklanej. Tkaninę impregnuje się żywicą epoksydową i częściowo utwardza ​​w arkusz zwany prepregiem, następnie układa w stosy i prasuje pod wpływem ciepła i ciśnienia, aż żywica wypłynie i stwardnieje. Rezultatem jest sztywność, stabilność wymiarowa i doskonały izolator: szkło zapewnia wytrzymałość mechaniczną, podczas gdy żywica określa zachowanie elektryczne i termiczne.

Od tego momentu rodzina szybko się rozgałęzia:

• FR-4 w gatunkach standardowych, o wysokiej Tg i bezhalogenowych, koń pociągowy w branży.
• CEM-1 i CEM-3, kompozytowe epoksydy z rdzeniem z włókniny szklanej do produktów wrażliwych na koszty.
• FR-1 i FR-2, laminaty papierowe stosowane w bardzo tanich płytach jednostronnych.
• Folia poliimidowa, elastyczna podstawa do konstrukcji FPC i sztywnych, które wymagają zginania.
• Laminaty węglowodorowe z wypełnieniem PTFE i ceramiką, wybierane, gdy utrata sygnału musi być niska przy częstotliwościach gigahercowych.

Większość ważnych kompromisów dotyczy systemu żywicy, a nie miedzi. Temperatura zeszklenia, temperatura rozkładu, stała dielektryczna i absorpcja wilgoci wynikają z właściwości chemicznych laminatu.

Dwustronna płytka PCB OSP W płytkach drukowanych FR4 zastosowano podłoże z włókna szklanego z żywicy epoksydowej, zapewniające doskonałą wytrzymałość mechaniczną, odporność na wysoką temperaturę i właściwości izolacji elektrycznej. oni... Zobacz produkt →

Dwustronna płyta FR-4 z wykończeniem OSP jest codziennym przykładem: standardowy laminat, standardowa grubość i wykończenie, które nadaje się do lutowania rozpływowego na dużą skalę bez zwiększania kosztów.

Miedź: część przewodząca prąd

Miedź jest drugim niezbędnym składnikiem. Folia jest określana wagowo i warto zapamiętać przeliczenie: jedna uncja miedzi rozłożona na stopie kwadratowej ma grubość około 35 mikronów. Cyfrowe projekty o wysokiej rozdzielczości zwykle działają na folii o gramaturze pół uncji lub jednej uncji, płyty zasilające zwiększają się do dwóch uncji, a prace z ciężką miedzią sięgają trzech uncji i więcej.

Miedź pojawia się w większej liczbie miejsc niż widoczne ślady. Podczas produkcji dodatkowa miedź jest powlekana galwanicznie w każdym wywierconym otworze, tworząc ciągłą ścianę beczki, a zewnętrzne warstwy są platerowane wzorem przed trawieniem. Jakość tego poszycia, a nie tylko jego grubość, decyduje o tym, czy przelotka przetrwa wielokrotne cykle termiczne.

Kiedy obecne wymagania rosną, odpowiedzią często jest więcej miedzi zamiast większej powierzchni płytki. Konstrukcje z ciężkiej miedzi rozkładają obciążenie na warstwy wewnętrzne, co pozwala kontrolować wzrost temperatury bez zewnętrznego radiatora.

14-warstwowa miedź Grube miedziane płytki drukowane wykorzystują bardzo grubą folię miedzianą o grubości od 3 uncji do 20 uncji, charakteryzującą się wyjątkową obciążalnością prądową (ponad 100 A) i odpornością na wysoką temperaturę. Zobacz produkt →

Kiedy włókno szklane jest złym wyborem

FR-4 odpowiada na większość pytań, ale trzy rodziny materiałów przejmują kontrolę, gdy nie jest to możliwe.

Płyty z rdzeniem metalowym i miedzianym

Aluminium stosuje się jako podstawę, gdy ciepło musi szybko opuścić deskę. Cienka warstwa dielektryka jest połączona z aluminium, miedziane obwody są wytrawione na górze, a metalowy podkład działa jak rozpraszacz ciepła. Wersje z rdzeniem miedzianym idą dalej, przenosząc bardzo duże gęstości prądu w oświetleniu LED, napędach silników i konwersji mocy. Choć jest cienka, ta warstwa dielektryka nadal musi wytrzymać pełne napięcie robocze, dlatego warto najpierw sprawdzić jej grubość i przewodność cieplną.

Jednostronna aluminiowa płytka PCB Podłoża metalowe wykorzystują aluminium, miedź i inne metale jako rdzeniową warstwę przewodzącą ciepło. Specjalistyczny dielektryk izolacyjny zapewnia doskonałe odprowadzanie ciepła... Zobacz produkt →

Podłoża ceramiczne

Tlenek glinu i azotek glinu zapewniają przewodność cieplną, której nie może dorównać żaden laminat polimerowy, a także współczynnik rozszerzalności cieplnej zbliżony do krzemu. Występują w modułach LED dużej mocy, stopniach mocy RF i czujnikach, które muszą pracować nawet przy dużych wahaniach temperatury.

Folie elastyczne

Poliimid zastępuje tkaninę szklaną, gdy płyta musi się zgiąć. Obowiązują te same zasady dotyczące miedzi i wykończenia, zmienia się jedynie podstawa, a wraz z nią zasady postępowania podczas montażu.

Maska lutownicza, sitodruk i wykończenia powierzchni

Maska lutownicza to powłoka na bazie żywicy epoksydowej nakładana na płytkę, a następnie utwardzana. Zapobiega mostkowaniu się lutu pomiędzy polami, chroni miedź pod spodem przed wilgocią i zanieczyszczeniami oraz nadaje płytce znajomy kolor. Zielony jest tradycyjny, ponieważ ma najdłuższe doświadczenie w obrazowaniu i inspekcji, ale czarny, niebieski, czerwony i matowa czerń są dziś rutyną. Atrament sitodrukowy jest drukowany na górze maski w celu zaznaczenia odniesień do komponentów i polaryzacji. Chociaż nie przewodzi prądu, jest to pierwsza rzecz, na której polega operator montażu.

Wykończenie powierzchni jest ostatnią decyzją materialną i jedną z najważniejszych. Niwelowanie lutu gorącym powietrzem jest tanią opcją, OSP jest materiałem organicznym i zanika po kilku rozpływach, a ENIG lub srebro zanurzeniowe zapewnia płaską powierzchnię dla części o drobnej podziałce. Tam, gdzie deska jest wielokrotnie wkładana i wyjmowana, odpowiedzią jest twarde złoto. Wszystkie nasze wykończenia dostępne są w wersjach bezołowiowych.

Przegląd materiałów na płytki drukowane

Poniższa tabela podsumowuje systemy materiałowe, które budujemy najczęściej i z czego każdy z nich jest wykonany.

Jak aplikacja wybiera materiał

Wybór materiału rzadko jest wyborem swobodnym. Dopasowuje się do środowiska, w którym będzie żyła deska.

Produkty konsumenckie i AGD

Tam, gdzie dominuje koszt, zwykle wystarcza standardowy FR-4 lub CEM-3 z wykończeniem HASL lub OSP.

Sterowanie motoryzacyjne i przemysłowe

Wibracje, cykle termiczne i długa żywotność skłaniają projekty do stosowania laminatów o wysokiej Tg, grubszej miedzi i wykończeń takich jak ENIG, które wytrzymują wielokrotne rozpływanie.

Projekty mocy i wysokiej częstotliwości

Priorytetowe są zarządzanie temperaturą i integralność sygnału, co oznacza zastosowanie materiałów z rdzeniem metalowym, ceramiki lub PTFE, a nie grubszej płyty szklanej.

Jeśli nie masz pewności, gdzie znajduje się Twój produkt, pomocne będzie sprawdzenie, jak podobne tablice są już budowane. Możesz przeglądać obszary zastosowań, które wspieramy aby zobaczyć kombinacje materiałów sprawdzone już w każdym segmencie.

Praktyczne notatki z hali produkcyjnej

Kilka rzeczy, które mówimy klientom, którzy wybierają materiały po raz pierwszy:

1. Wybierz wykończenie, zanim układ zostanie zamrożony, ponieważ od tego zależy geometria podkładki i nachylenie.
2. Dopasuj wagę miedzi do prądu, a nie do przyzwyczajenia, ponieważ miedź o dużych rozmiarach zwiększa trudność trawienia i koszty.
3. Zapytaj o Tg wcześniej, bo laminat o wysokiej Tg kosztuje trochę więcej i usuwa całą klasę uszkodzeń polowych.
4. Potwierdź rysunek stosu przed wydaniem, ponieważ większość opóźnień zaczyna się od brakującej lub niejednoznacznej warstwy.

Jeśli chcesz głębiej przyjrzeć się wpływowi wyboru laminatu, gramatury miedzi i wykończenia, zapoznaj się z naszym przewodnikiem dobór materiałów FR-4, RF i rdzeni metalowych przechodzi przez porównania bardziej szczegółowo.

Z czego zatem wykonane są płytki drukowane? Tkanina szklana i żywica epoksydowa, folia miedziana i platerowane beczki, maska ​​lutownicza, drukowana legenda i końcowe wykończenie, które sprawia, że ​​wszystko można lutować. Interesującą częścią nie jest sama lista, ale sposób, w jaki te materiały są dopasowywane do zadania. Dopasuj dobrze, a tablica będzie spokojnie wykonywać swoją pracę przez dekadę lub dłużej.