Materiały laminowane PCB

Materiały laminowane PCB

Płytki drukowane (PCB) są niezbędnym elementem każdego urządzenia elektronicznego. Więc jaki rodzaj materiałów PCB, które wybierzesz, będzie miał znaczący wpływ na produkcję, wydajność i trwałość obwodu.

Materiały płytek drukowanych stanowią podstawę, na której montuje się ślady i komponenty.

Co to jest laminat PCB?

Laminaty PCB, czasami nazywane laminatami platerowanymi miedzią, składają się z arkuszy prepregu, które są laminowane razem z arkuszami folii miedzianej po obu stronach.

Po stwardnieniu żywicy laminaty PCB są jak kompozyt z tworzywa sztucznego z arkuszami folii miedzianej po obu stronach.

Wybór podłoża płytki drukowanej należy rozważyć pod kątem parametrów elektrycznych, niezawodności, wymagań technologii przetwarzania oraz wskaźników ekonomicznych.

W PCB stosuje się wiele podłoży, głównie w dwóch kategoriach: organicznej i nieorganicznej.

Podłoża organiczne wykonane są ze wzmocnionych materiałów, takich jak włókno szklane, impregnowane spoiwem żywicznym, suszone i pokrywane folią miedzianą, a następnie wytwarzane w wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem.

Ten rodzaj podłoża nazywany jest również laminatami platerowanymi miedzią (CCL), podłoża nieorganiczne to głównie płytki ceramiczne oraz podłoża stalowe pokryte emalią.

Płytki drukowane są podzielone na sztywne płytki drukowane, elastyczne płytki obwodów drukowanych, i sztywno-elastyczne płytki drukowane zgodnie ze sztywnością i elastycznością materiałów dielektrycznych użytych do wytworzenia podłoża.

Sztywna płytka drukowana odnosi się do płytki drukowanej laminowanej folią miedzianą na powierzchni podłoża, które nie jest łatwe do zgięcia.

Wymaga płaskości, ma pewną wytrzymałość mechaniczną i może pełnić rolę wspierającą.

Elastyczna płytka drukowana odnosi się do płytki drukowanej wykonanej z folii miedzianej laminowanej na powierzchni elastycznego podłoża.

Posiada dobre odprowadzanie ciepła, jest ultracienki i może być zginany, składany, zwijany i może być dowolnie przesuwany i rozciągany w przestrzeni trójwymiarowej.

Dzięki temu może tworzyć trójwymiarową płytkę drukowaną.

Sztywna płytka obwodu drukowanego i giętka płytka obwodu drukowanego są połączone w celu utworzenia sztywno-elastycznej płytki obwodu drukowanego, która jest używana głównie do połączenia elektrycznego sztywnej płytki obwodu drukowanego i elastycznej płytki obwodu drukowanego.

Płytki drukowane są podzielone na jednostronna, dwustronna, płyty wielowarstwowe w zależności od liczby warstw pokrytych miedzią.

Płytka jednostronna odnosi się do płytki drukowanej, na której tylko jedna powierzchnia podłoża izolacyjnego jest pokryta wzorami przewodzącymi.

Płytka dwustronna odnosi się do płytki obwodu drukowanego z wzorami przewodzącymi po obu stronach podłoża izolacyjnego, to znaczy, że przewody po obu stronach bieguna obwodu są połączone za pomocą podkładek i przelotek.

Płytka wielowarstwowa odnosi się do płytki drukowanej utworzonej przez naprzemienne łączenie warstwy folii miedzianej i podłoża izolacyjnego.

Jeśli jest to czterowarstwowa folia miedziana, nazywana jest płytą czterowarstwową. Jeśli jest pokryta folią miedzianą z sześciu stron, nazywana jest płytą 4-warstwową.

Połączenie elektryczne między warstwami płyt odbywa się za pomocą podkładek, otworów przelotowych, otworów nieprzelotowych i otworów zakopanych.

Poczekaj do teraz. Większość płyt głównych ma strukturę 4-10 warstw, obecnie PCBMaj może osiągnąć 40 warstw.

Istnieje wiele rodzajów materiałów używanych do opracowywania płytek drukowanych, a każdy materiał ma unikalne cechy.

Większość stosowanych materiałów PCB to wzmocnione podłoże z żywicy epoksydowej, włókno szklane i podłoże z żywicy epoksydowej związanej z folią miedzianą.

Wybór materiału zależy od kilku czynników, takich jak zastosowanie, specyfikacje, warunki środowiskowe i koszt.

Zanim przejdziemy do szczegółów dotyczących doboru materiału na płytkę drukowaną, należy wiedzieć, jakie są dostępne rodzaje materiałów PCB i czym się różnią.

Płytka drukowana

Rodzaje materiałów płytek drukowanych

Cel wszystkich płytek drukowanych jest taki sam, kładąc fundament pod obwód.

Jednak materiały płytek drukowanych mają duży wpływ na niezawodność i trwałość obwodu. Dzieje się tak dlatego, że każdy materiał płytowy ma swoje unikalne cechy.

FR-4

FR4 jest najczęściej używanym na świecie materiałem na podłoża płytek drukowanych.

„FR4” odnosi się do klasy materiałów zaprojektowanych zgodnie z normami NEMA LI 1-1998.

Materiały FR4 mają dobrą wytrzymałość termiczną, elektryczną i mechaniczną. Co więcej, ich właściwości wagowe sprawiają, że idealnie nadają się do większości zastosowań elektronicznych.

Laminaty i prepregi FR4 są zazwyczaj wykonane z żywicy epoksydowej i szkła.

Chociaż płytki obwodów drukowanych na bazie materiału FR-4 są opracowywane dla obwodów wymagających maksymalnie czternastu warstw, są one powszechnie stosowane w dwuwarstwowych płytkach obwodów drukowanych.

Sprawność cieplna materiału FR-4 jest ograniczona, ale dzięki połączeniu dodatków można zwiększyć jego sprawność cieplną, parametry mocy i współczynniki palności UL.

Co więcej, takie kombinacje mogą również zwiększyć odporność płyty na naprężenia mechaniczne.

Laminaty i prepregi FR4 nadają się do masowej produkcji o stałej wydajności.

Materiał rozwija podstawowe cechy płytki drukowanej o wysokim standardzie, zachowując efektywną równowagę między kosztami, niezawodnością, trwałością, wydajnością i zdolnością produkcyjną.

Płytka FR4

Istnieje wiele marek FR4 w kraju i za granicą, takich jak Shengyi, Nanya, KB, Isola, Nelko, Arlon, Ventec.

Laminat poliimidowy

Laminaty poliamidowe mają większą wydajność temperaturową i niezawodność niż materiały FR4.

Jednak poliimidy kosztują więcej niż FR4, ale zapewniają lepszą przeżywalność w trudnych warunkach środowiskowych.

Są bardzo wytrzymałe, a ich niski współczynnik rozszerzalności podczas cykli termicznych sprawia, że ​​dobrze pasują do konstrukcji wielowarstwowych.

Poliamid PCB

Laminat teflonowy

Laminat teflonowy Materiały zapewniają doskonałe właściwości elektryczne płytce drukowanej, dzięki czemu idealnie nadają się do obwodów o dużej prędkości.

Jednak materiały teflonowe są droższe niż poliimidy. Materiał teflonowy w połączeniu z dodatkami zwiększającymi wytrzymałość mechaniczną można nakładać na szkło.

Produkcja teflonowych płytek drukowanych wymaga skomplikowanych procedur i wysoce technicznego wyposażenia.

Zapotrzebowanie produkcyjne na teflonowe płytki z obwodami drukowanymi jest niższe niż w przypadku konwencjonalnych rodzajów płytek z obwodami drukowanymi.

Płytka PTFE

Elastyczny laminat

Elastyczne laminaty są kompaktowe, co umożliwia złożenie obwodu bez szybkiego wpływu na ciągłość elektryczną.

Nie mają podtrzymującej tkaniny szklanej; zamiast tego są zbudowane na folii z tworzywa sztucznego.

Płytki drukowane z elastycznego laminatu najlepiej nadają się do jednorazowej instalacji, ponieważ mogą się składać w sposób ciągły bez wpływu na żywotność obwodu.

Materiały o wyższej temperaturze, takie jak poliimid i polimery ciekłokrystaliczne, są powszechnie stosowane w wrażliwych obwodach.

Ze względu na cienkość elastycznych laminatów opracowanie elastycznych płytek drukowanych wymaga specjalistycznego sprzętu i procesów.

Elastyczny materiał PCB

Inne materiały

Oprócz wyżej wymienionych materiałów na rynku dostępnych jest wiele innych laminatów i materiałów wiążących.

Materiały te obejmują cyjanianoester, ceramikaoraz mieszane sieci integrujące żywice w celu uzyskania właściwości elektrycznych i mechanicznych.

Ponieważ ich wielkość produkcji jest znacznie mniejsza niż FR4, a produkcja jest stosunkowo skomplikowana, są one ogólnie uważane za kosztowną alternatywę dla rozwoju płytek obwodów drukowanych.

Skoro już wiemy o materiałach płytek drukowanych stosowanych na skalę komercyjną, zobaczmy, jak producenci wybierają określony rodzaj materiału.

Właściwości do rozważenia przy wyborze materiału PCB

Wybór materiału na płytkę drukowaną jest procesem o dużym stopniu zaawansowania technicznego.

Projektanci muszą wziąć pod uwagę pewne specyfikacje, takie jak parametry cieplne, elektryczne, mocy i ciepła.

Ponadto przy ich wyborze należy wziąć pod uwagę właściwości chemiczne i mechaniczne materiałów.

Właściwości termiczne

• Temperatura zeszklenia (Tg): Podłoże jest wrażliwe na określony zakres temperatur, powyżej którego po schłodzeniu podłoże mięknie i twardnieje do stanu początkowego. Tg reprezentuje zakres temperatur, w których zachodzi ta przemiana. Tg jest wyrażana w stopniach Celsjusza.
• Temperatura rozkładu (Td): Podłoże płytki drukowanej rozkłada się, gdy zostanie odkryte w temperaturach powyżej określonego progu. Płytka drukowana traci pięć lub więcej procent swojej całkowitej masy. Gdy tylko materiał zostanie oddzielony od jego temperatury zeszklenia, przemiana Tg odwraca się. Temperatura rozkładu (Td) oznacza próg, powyżej którego następuje rozkład. Najprostszym podejściem jest użycie materiału, którego temperatura rozkładu jest wyższa niż zakres temperatur roboczych płytki drukowanej.
• Współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE): Szybkość rozszerzania płytki drukowanej nazywa się CTE. Ta ekspansja występuje, gdy podłoże jest wystawione na działanie temperatur powyżej jego WRC, materiał rozszerza się. To rozszerzenie jest mierzone w częściach milion (ppm). Ogólnie podłoże ma wyższy współczynnik WRC niż warstwa miedzi. Często ta dysproporcja stwarza problemy z połączeniami, gdy doprowadzane jest ciepło. Ze względu na ograniczenia skręconego szkła wokół zawartości PCB, WRC waha się od 10 do 20 ppm wzdłuż osi X i Y. Nawet jeśli wartość progowa przekracza Tg, CTE pozostaje takie samo.
• Przewodność cieplna (k): Przewodność cieplna oznacza właściwości przewodzenia ciepła płytki drukowanej. Przewodność cieplna materiału jest bezpośrednio związana ze zdolnością wymiany ciepła płytki drukowanej. Gdy poziom K jest niski, poziom wymiany ciepła pozostaje taki sam. Warstwa miedzi przenosi ciepło szybciej niż ciepło dielektryczne w platformie. Współczynnik przewodności cieplnej w kelwinach (K) jest obliczany w watach na metr.

Właściwości elektryczne

• Stała dielektryczna (Er): Ciągłość stałej dielektrycznej jest określona przez impedancję i integralność sygnału. Stała dielektryczna typowego materiału PCB wynosi od 3.5 do 5.5 (Er). Ilość Er substancji zależy od częstotliwości i generalnie spada wraz ze wzrostem częstotliwości. W przypadku niektórych materiałów PCB względna przenikalność (Dk) zmienia się mniej w porównaniu z innymi. Ze względu na bezpieczeństwo zastosowań o wysokiej częstotliwości należy utrzymać stabilną stałą dielektryczną w szerokim spektrum częstotliwości.
• Styczna straty dielektrycznej (Tan δ): Jeśli styczna utraty płytki drukowanej jest mała, materiał traci mniejszą wytrzymałość. Tangens strat dielektrycznych (Tan β) materiałów stosowanych w obwodach drukowanych wynosi zwykle od 0.02 do 0.001. Pierwsza cyfra odnosi się do najczęściej stosowanych materiałów. Ta ostatnia liczba odnosi się do materiałów z najwyższej półki. Z częstotliwością Tan μ rośnie. Styczna straty jest zwykle niewielka, gdy mówimy o układach cyfrowych. Każda aplikacja, w której poziom częstotliwości wzrasta do 1 GHz, będzie mieć oczekiwania względem tego prawa. W przypadku sygnałów analogowych styczna strat jest szczególnie krytyczna.
• Oporność objętościowa (ρ): Opór objętościowy (ρ) materiału dielektrycznego jest materiałem izolującym elektryczność. Materiał płytki drukowanej o wysokiej rezystancji jest najmniejszym możliwym do złagodzenia obciążenia elektrycznego. Rezystywność dielektryka można obliczyć za pomocą omomierzy (Ω-m) - i omo-centymetrów (Ω-cm). Materiał na płytce drukowanej musi, podobnie jak izolatory całkowicie dielektryczne, mieć wysoką rezystywność, najlepiej w zakresie od 103 do 1010 megaomów. Czynniki zewnętrzne, takie jak ciepło, zimno i wilgoć, mogą wpływać na rezystywność materiału.
• Oporność powierzchniowa (ρS): Każdy materiał dielektryczny ma rezystancję powierzchniową izolacji i elektryczności, zwaną opornością powierzchniową (ρS). Przy poziomie ρ, ρS musi mieć wysoką wartość między 103 a 109 megaomów na kwadrat, najlepiej. Podobnie jak w przypadku ρ, wysoka temperatura i wilgoć mogą wpływać na oporność powierzchniową materiału.
• Wytrzymałość elektryczna: Potencjał materiału dielektrycznego do wytrzymania przebicia elektrycznego jest znany jako jego wytrzymałość elektryczna. Wytrzymałość elektryczną płytki drukowanej oblicza się w woltach / mil. Wytrzymałość elektryczna powszechnie stosowanych materiałów na płytki drukowane wynosi od 800 V / milę do 1500 V / mil.

Montaż PCB Elektryczny

Właściwości chemiczne

• Łatwopalność: Płytki drukowane są podatne na poważne oparzenia, jeśli materiał jest wysoce łatwopalny. UL 94, norma dotycząca bezpieczeństwa palności, pomaga zidentyfikować naturę materiału w przypadku zapłonu. Zgodnie z określonymi normami palności dobry materiał nie może pozostawać zapalony dłużej niż dziesięć sekund po usunięciu źródła ognia. W przeciwnym razie materiał nie spełnia norm UL 94, a tym samym ma charakter łatwopalny.
• Absorpcja wilgoci: Zdolność dielektryka do wytrzymywania ekspozycji na wilgoć wyjaśnia jego zdolność pochłaniania wilgoci, zwłaszcza po zanurzeniu w płynie. Najpopularniejsze materiały na płytki drukowane mają wartości absorpcji wilgoci w zakresie od 0.01% do 0.20%. Absorpcja wilgoci przez podłoże wpływa również na właściwości elektryczne i termiczne dielektryka.
• Odporność na chlorek metylenu: Odporność chemiczna materiału płytki drukowanej nazywana jest odpornością na chlorek metylenu (MCR), która bada odporność dielektryczną, w szczególności pod kątem absorpcji chlorku metylenu. Wytrzymałość dielektryczna ma zwykle MCR od 0.01% do 0.20%.

Właściwości mechaniczne

• Siła odrywania: Spojenie na płytce drukowanej pomiędzy dielektrykiem a warstwami miedzi określa się jako wytrzymałość na odrywanie.
• Wytrzymałość na zginanie: Zdolność materiału dielektrycznego do wytrzymywania naprężeń fizycznych bez pękania jest znana jako wytrzymałość na zginanie. Jest mierzona w kilogramach na metr kwadratowy. Siła jest przykładana w środku, aby sprawdzić wytrzymałość na zginanie płytki drukowanej przy zachowaniu końcówek. Wytrzymałość dielektryczną jest często obliczana za pomocą modułu rozciągania, który określa stosunek naprężenia do odkształcenia materiału płytki drukowanej i jak dobrze może on wytrzymać naprężenia pod różnymi kątami. Moduł trakcyjny jest również nazywany modułem Younga, używanym przez różnych producentów do pomiaru zdolności płytki drukowanej do wytrzymywania naprężeń zamiast wytrzymałości na zginanie.
• Gęstość: Gęstość materiału dielektrycznego jest obliczana w gramach na centymetr sześcienny. Ponadto gęstość PCB można również mierzyć w funtach na cal sześcienny.
• Czas do rozwarstwienia: Czas potrzebny do rozwarstwienia materiału dielektrycznego nazywany jest czasem do delaminacji. Wyjaśnia, jak długo warstwy płytki drukowanej mogą pozostawać narażone na działanie temperatur powyżej określonego progu, zanim rozwiążą się jedna od drugiej. Materiał może ulec rozwarstwieniu, jeśli zostanie narażony na szok termiczny lub wilgoć po przekroczeniu czasu do rozwarstwienia.

Czynniki, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze materiału na płytkę drukowaną

Jakość

Przy wyborze materiału na płytkę drukowaną najważniejszym czynnikiem jest jakość.

Wszędzie tam, gdzie płytka drukowana ma służyć po złożeniu, musi działać zgodnie z wymaganymi specyfikacjami.

Ale jest to możliwe tylko wtedy, gdy projektowana deska ma nałożony odpowiedni materiał; więc działa prawidłowo, jeśli jest narażony na stres fizyczny.

Koszty:

Biorąc pod uwagę różnorodność materiałów na płytki drukowane, projektanci zawsze mogą wybrać materiały najwyższej jakości.

Wielu projektantów podczas projektowania używa złotych lub lutowanych zakładek. Ale złote karty są trochę drogie.

W wielu przypadkach wybór drogiego materiału jest niepraktyczny, ponieważ należy wziąć pod uwagę całkowity koszt.

Przy wyborze materiału na płytkę drukowaną należy wziąć pod uwagę koszt.

Power

Jak już wyjaśniono, właściwości płytki drukowanej różnią się w zależności od rodzaju materiału.

Niektóre materiały są podatne na intensywne spalanie, jeśli są wystawione na działanie płomieni przez krótki czas, podczas gdy inne materiały mogą być odporne na spalanie.

Podobnie zmieniają się warunki termiczne materiałów, a ich zdolność do rozpraszania ciepła wpływa na ich funkcjonowanie.

Płytka musi być w stanie wytrzymać wysokie prądy, co zwykle wymaga szerszych ścieżek i grubej miedzi.

Oczywiście wybór odpowiedniego materiału PCB nie jest tak prosty, jak się wydaje; przed wyborem odpowiedniego typu należy wziąć pod uwagę wszystkie powyższe czynniki.

Poniżej przedstawiono niektóre z najczęściej używanych materiałów na płytki drukowane.

Tutaj znajduje się wiele kart katalogowych materiałów laminowanych, są one przydatne i pomocne, zobacz je: