Z čeho jsou obvodové desky vyrobeny? Průvodce výrobcem desek plošných spojů k deskovým materiálům

Zeptejte se většiny inženýrů, z čeho je deska s plošnými spoji vyrobena, a dostanete jediné slovo: sklolaminát. Tato odpověď je správná, ale pokrývá pouze první vrstvu delšího příběhu. Deska s plošnými spoji je pečlivě navržený stoh materiálů a každý z nich si musí vydobýt své místo. Substrát dává desce její tělo a její elektrickou izolaci, měď přenáší proud, pájecí maska chrání povrch a konečná úprava udržuje měď pájenou po léta.

V našem závodě v Guangde vyrábíme desky od roku 2013, od jednoduchých jednostranných panelů až po 32vrstvé stohy, takže na tuto otázku obvykle odpovídáme tak, jak to dělá výrobce. Skutečnou otázkou není, z čeho je deska plošných spojů obecně vyrobena, ale která kombinace materiálů přežije prostředí vašeho produktu po dobu jeho očekávané životnosti.

Základní složky obvodové desky

Odstraňte žargon a téměř každá deska je vyrobena ze stejného krátkého seznamu materiálů:

Podklad: izolační základ, obvykle tkané sklolaminát pojené epoxidovou pryskyřicí.
Měděná fólie: nalaminovaná na substrát a vyleptaná do stop, polštářků a rovin.
Pokovování: měď a někdy cín nebo zlato, uložené uvnitř vyvrtaných otvorů pro spojení vrstev.
Pájecí maska: barevný povlak, který pokrývá vše kromě podložek, které potřebujete k pájení.
Sítotisk: tištěná legenda, která identifikuje součásti a referenční označení.
Povrchová úprava: tenká kovová nebo organická vrstva, která zabraňuje oxidaci obnažené mědi.

Každý z těchto materiálů lze vyměnit, upgradovat nebo zahustit a každá náhrada současně změní náklady, vyrobitelnost a provozní spolehlivost.

Substrát: skelná tkanina, pryskyřice a alternativy

Standardní FR-4 začíná tkanou skelnou tkaninou. Tkanina je impregnována epoxidovou pryskyřicí a částečně vytvrzena do fólie zvané prepreg, poté je naskládána a lisována za tepla a tlaku, dokud pryskyřice nevyteče a nevytvrdne. Výsledek je tuhý, rozměrově stálý a vynikající izolant: sklo dodává mechanickou pevnost, zatímco pryskyřice definuje elektrické a tepelné chování.

Od tohoto výchozího bodu se rodina rychle rozvětví:

FR-4 ve standardních, vysoce-Tg a bezhalogenových jakostech, tahoun v tomto odvětví.
CEM-1 a CEM-3, kompozitní epoxidy s netkaným skleněným jádrem pro cenově citlivé produkty.
FR-1 a FR-2, lamináty na bázi papíru používané ve velmi levných jednostranných deskách.
Polyimidová fólie, flexibilní základna pro FPC a rigid-flex designy, které se potřebují ohýbat.
PTFE a uhlovodíkové lamináty plněné keramikou, zvolené, když ztráta signálu musí zůstat nízká na gigahertzových frekvencích.

Většina důležitých kompromisů žije v systému pryskyřice spíše než v mědi. Teplota skelného přechodu, teplota rozkladu, dielektrická konstanta a absorpce vlhkosti – to vše pochází z chemie laminátu.

Oboustranná OSP PCB Desky plošných spojů FR4 využívají substrát ze skleněných vláken z epoxidové pryskyřice, který nabízí vynikající mechanickou pevnost, odolnost proti vysokým teplotám a elektrické izolační vlastnosti. Oni a... Zobrazit produkt →

Oboustranná deska FR-4 s povrchovou úpravou OSP je každodenním příkladem: standardní laminát, standardní tloušťka a povrchová úprava, která vyhovuje velkoobjemovému pájení přetavením bez dalších nákladů.

Měď: Část, která nese proud

Druhou základní složkou je měď. Fólie je specifikována hmotností a převod stojí za zapamatování: jedna unce mědi rozprostřená na jednu čtvereční stopu má tloušťku zhruba 35 mikronů. Digitální návrhy s jemným roztečem obvykle běží na fólii o velikosti půl unce nebo jedné unce, výkonové desky dosahují až dvou uncí a práce s těžkou mědí jde do tří uncí a více.

Měď se objevuje na více místech, než jsou viditelné stopy. Během výroby se do každého vyvrtaného otvoru galvanicky nanese další měď, aby se vytvořila souvislá stěna válce, a vnější vrstvy jsou před leptáním pokoveny vzorem. O tom, zda prokov přežije opakované tepelné cykly, rozhoduje kvalita tohoto pokovení, nejen jeho tloušťka.

Když aktuální požadavky stoupají, odpovědí je často více mědi než větší plocha desky. Těžké měděné konstrukce rozkládají zatížení přes vnitřní vrstvy, což udržuje nárůst teploty pod kontrolou bez externího chladiče.

14vrstvá měď Tlusté měděné desky plošných spojů využívají ultra silnou měděnou fólii v rozsahu od 3 oz do 20 oz, která se může pochlubit výjimečnou proudovou kapacitou (přes 100 A) a odolností proti vysokým teplotám ... Zobrazit produkt →

Když je sklolaminát špatnou volbou

FR-4 odpovídá na většinu otázek, ale když to nemůže, převezmou tři materiální rodiny.

Desky s kovovým a měděným jádrem

Hliník se používá jako základ, když teplo musí desku rychle opustit. Tenká dielektrická vrstva je spojena s hliníkem, měděné obvody jsou vyleptány nahoře a kovový podklad funguje jako rozptylovač tepla. Verze s měděným jádrem jdou ještě dále a nesou velmi vysoké proudové hustoty v LED osvětlení, motorových pohonech a přeměně energie. I když je dielektrická vrstva tenká, stále musí zadržovat plné pracovní napětí, takže její tloušťka a tepelná vodivost jsou dvě čísla, která stojí za to nejprve zkontrolovat.

Jednostranná hliníková deska plošných spojů Kovové substráty využívají hliník, měď a další kovy jako jádrovou tepelně vodivou vrstvu. Specializované izolační dielektrikum dosahuje vynikajícího odvodu tepla... Zobrazit produkt →

Keramické podklady

Oxid hlinitý a nitrid hliníku přinášejí tepelnou vodivost, které se žádný polymerový laminát nevyrovná, spolu s koeficientem tepelné roztažnosti blízkým křemíku. Objevují se ve vysoce výkonných LED modulech, vysokofrekvenčních výkonových stupních a senzorech, které musí pracovat i přes velké teplotní výkyvy.

Flexibilní fólie

Polyimid nahrazuje skelnou tkaninu, když se deska musí ohýbat. Platí stejná pravidla mědi a povrchové úpravy, mění se pouze základna a s tím i pravidla manipulace při montáži.

Pájecí maska, sítotisk a povrchové úpravy

Pájecí maska je nátěr na bázi epoxidu nanesený na desku a poté vytvrzený. Zabraňuje přemostění pájky mezi destičkami, chrání měď pod ní před vlhkostí a znečištěním a dodává desce její známou barvu. Zelená je tradiční, protože má nejdelší historii v zobrazování a kontrole, ale černá, modrá, červená a matná černá jsou dnes rutinou. Sítotiskový inkoust je vytištěn na horní straně masky, aby se označily reference komponent a polarita, a přestože neprochází žádným proudem, je to první věc, na kterou se montážní operátor spoléhá.

Povrchová úprava je posledním materiálovým rozhodnutím a jedním z nejdůležitějších. Vyrovnání horkovzdušnou pájkou je levná varianta, OSP je organický a po několika přetavení vybledne a ENIG nebo ponorná stříbrná poskytuje rovný povrch pro díly s jemnou roztečí. Tam, kde je deska vkládána a vyjímána opakovaně, je řešením tvrdé zlato. Všechny naše povrchové úpravy jsou k dispozici v bezolovnatých verzích.

Stručný přehled materiálů desek plošných spojů

Níže uvedená tabulka shrnuje materiálové systémy, které stavíme nejčastěji, a z čeho je každý vyroben.

Běžné systémy materiálů obvodových desek, jejich složení a aplikace, které nejlépe vyhovují.
Materiálový systém	Z čeho je vyroben	Typické použití
FR-4	Tkaná tkanina ze skleněných vláken pojená epoxidovou pryskyřicí	Obecná elektronika, 1 až 32 vrstev
CEM-3	Netkané skleněné jádro s epoxidovou pryskyřicí	Nákladově citlivé spotřebitelské desky
Hliníkové kovové jádro	Hliníkový základ, dielektrická vrstva, měděná fólie	LED osvětlení a napájecí zdroje
Měděné jádro	Silná měděná základna s dielektrikem a měděnou fólií	Silnoproudé výkonové obvody
Keramika z oxidu hlinitého	Slinutý oxid hlinitý se silnovrstvou mědí	RF napájení, senzory, LED moduly
Polyimid pružný	Polyimidová fólie s válcovanou nebo elektrolyticky nanášenou mědí	Flexibilní a rigid-flex sestavy
Vysokofrekvenční laminát	PTFE nebo uhlovodík plněný keramikou	Radar, 5G, mikrovlnné spojení

Jak aplikace vybírá materiál

Výběr materiálu je málokdy svobodnou volbou. Sleduje prostředí, ve kterém bude deska žít.

Spotřební a spotřebičové produkty

Tam, kde dominují náklady, obvykle stačí standardní FR-4 nebo CEM-3 s povrchovou úpravou HASL nebo OSP.

Automobilové a průmyslové řízení

Vibrace, tepelné cykly a dlouhá životnost tlačí designy k laminátům s vysokou Tg, silnější mědi a povrchovým úpravám, jako je ENIG, které přežijí opakované přetavení.

Výkonové a vysokofrekvenční provedení

Tepelné řízení a integrita signálu mají přednost, což znamená, že materiály s kovovým jádrem, keramikou nebo PTFE jsou spíše než tlustší skleněná deska.

Pokud si nejste jisti, kde váš produkt sedí, pomůže vám vidět, jak se podobné desky již vyrábějí. Můžete procházet oblasti použití, které podporujeme vidět již osvědčené kombinace materiálů v každém segmentu.

Praktické poznámky z dílny

Pár věcí, které říkáme zákazníkům, kteří vybírají materiály poprvé:

Vyberte konečnou úpravu před zmrazením rozložení, protože na něm závisí geometrie podložky a fixace.
Přizpůsobte hmotnost mědi proudu, nikoli zvyku, protože příliš velká měď zvyšuje obtížnost leptání a náklady.
Zeptejte se na Tg brzy, protože laminát s vysokou Tg stojí o něco více a odstraňuje celou třídu poruch v terénu.
Před uvolněním potvrďte sestavený výkres, protože většina zpoždění začíná jako chybějící nebo nejednoznačná vrstva.

Pokud se chcete hlouběji podívat na to, jak se ovlivňují výběr laminátu, hmotnost mědi a povrchová úprava, náš průvodce výběr materiálů FR-4, RF a kovového jádra projde srovnání podrobněji.

Z čeho jsou tedy desky plošných spojů vyrobeny? Skleněná tkanina a epoxidová pryskyřice, měděná fólie a pokovené sudy, pájecí maska, tištěná legenda a konečná úprava, díky které je vše pájitelné. Zajímavou částí není samotný seznam, ale způsob, jakým jsou tyto materiály přizpůsobeny zakázce. Udělejte to správně a deska bude tiše vykonávat svou práci deset nebo více let.