Musisz to przeczytać: Przewodnik po materiałach PCB

Jeśli chodzi o elektronikę, PCB to niedocenieni bohaterowie, dzięki którym wszystko działa płynnie. Są jak drogi łączące wszystkie części miasta, pozwalając sygnałom dotrzeć tam, gdzie powinny. I tak jak chcesz dróg wykonanych z niezawodnych materiałów, które poradzą sobie z ruchem ulicznym, chcesz, aby Twoje płytki PCB były wytrzymałe. Wybrany materiał PCB jest ważny. Określa, jak dobrze Twoje urządzenie będzie działać i wytrzymać w codziennym użytkowaniu. na szczęście, do Twojej dyspozycji jest różnorodna gama materiałów, spełniające Twoje specyficzne potrzeby w zakresie wydajności projektowej. Ten przewodnik poprowadzi Cię przez główne materiały PCB, z których możesz wybierać i co sprawia, że ​​każdy z nich jest wyjątkowy. Przejdźmy więc do tego!

Z czego wykonane są płytki drukowane?

W tej sekcji, przedstawiamy głównie kluczowe warstwy tworzące płytkę drukowaną i użyte w nich materiały:

• Warstwa podłoża

ten PCB warstwa podłoża is like the foundation of a house – it’s the base that everything else in a printed circuit board builds on top of. Zazwyczaj, warstwa ta jest wykonana z włókna szklanego, co nadaje płytkom drukowanym ich charakterystyczną sztywność. Ale włókno szklane nie jest jedynym dostępnym materiałem.

Podłoża można również konstruować przy użyciu epoksydów, CEM-1, G-11, izolowany metal, FR-1, lub poliimid. Każdy materiał ma swoje właściwości, które inżynierowie wybierają w zależności od takich czynników, jak ilość ciepła, jaką może wytrzymać płytka drukowana, czy stała dielektryczna. Ale spośród wszystkich opcji, Zdecydowanie najpopularniejszy jest FR-4.

• Warstwa przewodząca

Jeśli warstwa podłoża jest podstawą płytki drukowanej, warstwę przewodzącą można porównać do okablowania, dzięki któremu wszystko działa. Jest to warstwa zbudowana z cienkich ścieżek miedzianych, które przesyłają sygnały i moc w całym obwodzie.

Miedź stała się najczęściej wybieranym materiałem na warstwę przewodzącą, ponieważ jest doskonałym przewodnikiem i jest tańsza cenowo niż inne opcje, takie jak srebro czy złoto. Pewnie, materiały te są nieco bardziej przewodzące, ale miedź spełnia swoje zadanie w większości zastosowań.

Przewodzący ślady na PCB przypominają maleńkie miedziane autostrady przenoszące prąd do wszystkich elementów. Układ i projekt tych ścieżek są bardzo ważne, aby mieć pewność, że sygnały mogą przemieszczać się szybko i skutecznie.

• Warstwa maski lutowniczej

Warstwa maski lutowniczej, cienką powłoką przypominającą plastik, jest umieszczony nad miedzianymi torami na a tablica PCB. Warstwa ta działa jak izolator, który zapobiega mostkowaniu lutu pomiędzy pobliskimi ścieżkami miedzianymi podczas montażu płytki PCB. Dlatego maska ​​lutownicza odgrywa kluczową rolę w zapobieganiu tworzeniu się niepożądanych połączeń elektrycznych. Odsłaniając tylko zamierzone punkty lutownicze, maska ​​lutownicza prowadzi lut tak, aby wykonać prawidłowe połączenia i uniknąć zwarć. W rzeczywistości na maskę lutowniczą stosuje się kilka różnych materiałów, w zależności od metody aplikacji, są płynem epoksydowym, suchy film, i płynny, nadający się do fotoobrazowania.

• Warstwa sitodruku

ten warstwa sitodruku na płytce drukowanej jest jak mapa drogowa budowy elektroniki. Ten atrament epoksydowy jest drukowany na wierzchu płytki drukowanej w końcowych etapach. Pokazuje, gdzie należy umieścić każdy element, za pomocą przydatnych etykiet i oznaczeń. Poza etykietowaniem, sitodruk wskazuje również ważne ostrzeżenia lub logo producenta. Wszystkie te małe symbole i kody wydrukowane białym atramentem zapewniają kluczowe wskazówki dotyczące konstruowania i debugowania.

Typowe rodzaje materiałów PCB

1. FR-4 (Zmniejszający palność 4)

FR-4 stał się dominującym materiałem na płytki drukowane ze względu na optymalne połączenie przystępnej ceny, niezawodne działanie, i prostota produkcji. Składa się z tkanej tkaniny z włókna szklanego impregnowanej żywicą epoksydową i wzmocnionej materiałem trudnopalnym. Płytki drukowane FR-4 zapewniają skuteczną izolację elektryczną i wytrzymałość konstrukcyjną, zachowując jednocześnie stabilność funkcjonalną w wysokich i niskich temperaturach. Ta wszechstronność sprawia, że ​​FR-4 jest odpowiednim wyborem do płytek PCB w różnych produktach, w tym w elektronice użytkowej, urządzenia telekomunikacyjne, i maszyny przemysłowe.

2. CEM-3

Podobnie jak FR-4, CEM-3 wykonany jest z tkanych włókien szklanych nasączonych żywicą epoksydową. Daje mu to wiele takich samych pożądanych właściwości jak FR-4: doskonała izolacja elektryczna, siła mechaniczna, i stabilność termiczna. Ale CEM-3 wyróżnia się nieco tańszą ceną. Dla projekty obwodów które nie wymagają absolutnej szczytowej wydajności, świadomi kosztów inżynierowie często sięgają po CEM-3 zamiast droższego FR-4. Tak więc, czcigodny FR-4 nadal króluje w zaawansowanych zastosowaniach, CEM-3 oferuje kuszącą opcję dla bardziej codziennych potrzeb PCB. Równowaga możliwości i skromna cena sprawiają, że CEM-3 jest niezawodnym materiałem backendowym dla wszystkich rodzajów elektroniki.

3. Poliamid

Poliimid to wszechstronny materiał polimerowy, idealny do płytek drukowanych w wymagających środowiskach. Niezrównana stabilność termiczna poliimidu, elastyczność mechaniczna, i odporność chemiczna pozwalają zachować integralność i funkcjonalność nawet w bardzo wymagających warunkach operacyjnych. Ekstremalne temperatury i środki żrące pogarszają wytrzymałość wielu materiałów, poliimid zachowuje swoje właściwości i nadal działa niezawodnie.

Ta wyjątkowa odporność termiczna i chemiczna, w połączeniu z elastycznością strukturalną, sprawia, że ​​poliimid doskonale nadaje się do stosowania w elektronice o znaczeniu krytycznym w wielu gałęziach przemysłu, w tym lotniczym, automobilowy, i wojskowych.

4. Teflon (PTFE)

Materiał ten oferuje wyjątkowe właściwości elektryczne, które minimalizują utratę sygnału, nawet na częstotliwościach radarowych i satelitarnych. Główną atrakcją PTFE jest jego niska zawartość stała dielektryczna i tangens straty, które ograniczają degradację i zniekształcenia sygnału. Ma również wyjątkową stabilność termiczną dzięki wysokiej temperaturze zeszklenia. Teflonowe płytki drukowane zachowują swoją strukturę i integralność wydajności nawet pod wpływem ekstremalnego ciepła. Aby to uzupełnić, ten materiał PCB wykazuje doskonałą odporność chemiczną, lekceważąc nawet agresywne chemikalia, które mogłyby uszkodzić inne tworzywa sztuczne.

5. Materiał PCB z metalowym rdzeniem

Rdzenie metalowe, jak sama nazwa wskazuje, mają metalowy rdzeń, typowo aluminiowe, aby zapewnić lepsze odprowadzanie ciepła. Często się przyzwyczajają, gdy komponenty stają się bardzo gorące. Mówimy o diodach LED dużej mocy, konwertery mocy, automotive electronics – anything that cranks out blazing heat. Więc następnym razem, gdy będziesz budować elektronikę, gdzie wszystko staje się strasznie gorące, płyty z rdzeniem metalowym masz plecy! Zintegrowany metalowy rdzeń ułatwia odprowadzanie ciepła z elementów wrażliwych na temperaturę, zapobiegając w ten sposób przegrzaniu i zapewniając stałą wydajność.

6. Materiał Rogersa

Rogers Corporation wyróżnia się jako wiodący dostawca materiałów PCB, oferując produkty o wysokiej wydajności do wymagających zastosowań. Ich popularne serie RO4000 i RO3000 obsługują wysokie częstotliwości, wysoka temperatura, i wysoką niezawodność. Materiały Rogers zapewniają specjalistyczne właściwości niezbędne w produktach takich jak systemy radarowe, sprzęt wiertniczy, oraz awionika lotnicza, gdzie wydajność ma kluczowe znaczenie. Z wewnętrznym R&D i produkcja, Rogers produkuje najwyższej jakości materiały PCB, którym zaufali producenci dbający o jakość w przypadku płytek o znaczeniu krytycznym. Gdy obwody muszą działać bezbłędnie w intensywnych warunkach, Rogers dostarcza.

Poniżej znajduje się tabela porównująca te materiały PCB pod różnymi względami:

Materiał	FR4	CEM-3	Teflon	Rogers	Metal	Poliamid
Stała dielektryczna	~4,4	~4.5 – 4.9	~2.1	~2.5 – 10.2	Zmienny	~3.4 – 3.5
Stabilność termiczna	Dobry	Umiarkowany	Doskonały	Doskonały	Zmienny	Dobry
Zakres częstotliwości	Do zakresu GHz	Do zakresu GHz	Do zakresu GHz	kuchenka mikrofalowa & RF	Ograniczone przez skórę	Zakres GHz
Stracić styczność	Niski	Umiarkowany	Bardzo niski	Niski	Niski	Niski
Koszt	Niski	Niski	Wysoki	Wysoki	Umiarkowane do wysokiego	Umiarkowany
Mechaniczny Flex	Ograniczony	Ograniczony	Dobry	Ograniczony	Ograniczony	Doskonały
Przetwarzanie	Standard	Standard	Specjalistyczne	Specjalistyczne	Ograniczony	Standard

Czynniki, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze materiału PCB

Przy wyborze materiału należy wziąć pod uwagę wiele aspektów produkcja płytek drukowanych:

Wydajność elektryczna

• Stała dielektryczna (Dk): Ma to wpływ na prędkość propagacji sygnału i kontrolę impedancji. Wyższe wartości Dk mogą prowadzić do niższych prędkości sygnału.
• Współczynnik rozpraszania (Df): Wpływa na straty sygnału i wydajność energetyczną. Niższe wartości Df są pożądane w zastosowaniach o wysokiej częstotliwości.

Siła mechaniczna

• Wytrzymałość na rozciąganie: Określa zdolność płytki PCB do wytrzymywania naprężeń mechanicznych bez deformacji i pęknięć.
• Wytrzymałość na zginanie: Dotyczy elastycznych lub sztywne i elastyczne płytki PCB, wskazując ich odporność na zginanie i zginanie.

Właściwości termiczne

• Przewodność cieplna: Ma kluczowe znaczenie dla rozpraszania ciepła w komponentach energochłonnych. Wysoka przewodność cieplna pomaga efektywniej odprowadzać ciepło.
• Współczynnik rozszerzalności cieplnej (Szopa): Niedopasowanie pomiędzy płytką PCB a współczynnikiem CTE komponentu może powodować problemy z niezawodnością w wyniku cykli termicznych.

Palność i odporność na ogień

• Ocena UL: ten 94 Klasyfikacja klasyfikuje materiały na podstawie ich palności i właściwości samogasnących. V-0 jest bardziej ognioodporny niż V-2, na przykład.

Rozważania dotyczące kosztów

• Koszty materiałów PCB mogą się znacznie różnić. Materiały o wysokiej wydajności, takie jak PTFE (Teflon) są zwykle droższe niż FR-4, powszechny materiał na bazie żywic epoksydowych.

Wytwarzalność

• Kompatybilność z procesami montażowymi: Niektóre materiały mogą wymagać specjalistycznego sprzętu lub metod przetwarzania, które mogą mieć wpływ na koszty produkcji.
• Wiercenie i obrabialność: Materiały powinny być łatwe w obróbce podczas procesu produkcyjnego.

Względy środowiskowe

• Zgodność z dyrektywą RoHS: Sprawdź, czy wybrany materiał płytki drukowanej spełnia obowiązujące normy środowiskowe, jak wymagania RoHS, które ograniczają niektóre substancje toksyczne.
• Recykling i utylizacja: Weź pod uwagę łatwość recyklingu i utylizacji materiału po zakończeniu cyklu życia płytki drukowanej.

Integralność sygnału i częstotliwość

• Aplikacje o wysokiej częstotliwości: Różne materiały wykazują różną charakterystykę utraty sygnału przy wyższych częstotliwościach. Wybierz materiał o stycznej o niskiej stracie, aby poprawić integralność sygnału.

Dolna linia

Wybór odpowiedniego materiału na płytkę drukowaną to wielka sprawa. Może to naprawdę wpłynąć na działanie płytki drukowanej, jak długo to trwa, i ile kosztuje budowa. Musisz wziąć pod uwagę takie rzeczy jak: czy te rzeczy dobrze przewodzą prąd? How about heat – does it dissipate that effectively? Czy wytrzyma fizycznie z biegiem czasu? Czy poradzi sobie z narażeniem na wszelkie chemikalia i warunki, które tu występują? W zależności od aplikacji, być może będziesz musiał pomyśleć także o czynnikach środowiskowych. Poprzez zrozumienie mocnych stron i ograniczeń każdego materiału PCB, inżynierowie mogą wybrać optymalny dla swoich konkretnych celów projektu. Jeśli potrzebujesz pomocy w wyborze materiału PCB, spróbuj poszukać pomocy u Technologia MOKO.