Материал печатной
платы
Возможности печатных плат
Печатные платы (PCB) составляют основу современной электроники, от смартфонов до аэрокосмических систем. Материал печатной платы является фундаментальным аспектом, определяющим качество всей системы. Хотя внимание уделяется компонентам, установленным на них, именно материал печатных плат решающим образом определяет производительность, надежность и долговечность системы.
Выбор материала печатных плат напрямую влияет на целостность сигнала, тепловое управление и долговечность. Неправильный выбор может привести к ухудшению качества сигнала, тепловым сбоям и даже поломкам. Именно поэтому хорошее знание материалов печатных плат является ключом к успешному проектированию электроники. В этом руководстве объясняется конструкция материалов печатных плат, распространенные типы материалов печатных плат, их основные свойства и критерии выбора, чтобы вы могли принимать эффективные решения для максимального повышения производительности печатных плат при управлении затратами.
Строение материала печатной платы: понимание основных слоев
Печатная плата состоит из нескольких важных слоев, изготовленных из разных материалов. Знание того, как эти слои работают и взаимодействуют, поможет вам выбрать материалы, соответствующие вашим требованиям к производительности, долговечности и стоимости:
- Подложка: это базовый слой, который обычно изготавливается из таких материалов, как FR-4, полиимид или керамика. Он используется для обеспечения механической поддержки, а также электрической изоляции.
- Медный слой: это тонкий лист медного материала на печатной плате, который обеспечивает электропроводящие пути, дорожки и плоскости для прохождения тока и передачи сигналов между электронными компонентами.
- Паяльная маска: этот слой представляет собой защитное покрытие, которое покрывает медные дорожки для предотвращения окисления и образования паяных мостов во время сборки.
- Шелкография: напечатанная на верхнем (и иногда на нижнем) слое, шелкография обеспечивает маркировку компонентов, логотипы и обозначения, которые помогают при сборке и устранении неисправностей.
7 распространенных типов: какой материал печатной платы выбрать
На рынке представлено множество типов материалов для печатных плат, и здесь мы остановимся на некоторых из наиболее распространенных:
- FR4
FR4 — один из наиболее распространенных материалов для печатных плат, состоящий из тканого стекловолокна, пропитанного огнестойкой эпоксидной смолой. FR — сокращение от «flame retardant» (огнестойкий), а 4 — класс или тип огнестойкого материала.
Это относительно недорогой материал с хорошей механической прочностью, самозатухающей горючестью и низким водопоглощением. Его температура стеклования (Tg) колеблется от 130 °C до 180 °C, что делает его пригодным для использования в большинстве применений.
- Полиимид
Полиимид обладает высокой термостойкостью и высокой Tg (примерно 250–260 °C), а также превосходными электрическими характеристиками. Но по сравнению с FR4 он впитывает гораздо больше влаги и перед сборкой должен быть прожарен. Этот материал обладает механической гибкостью и широко используется в большинстве гибких и жестко-гибких печатных плат.
- Rogers
Rogers — ведущий бренд высокопроизводительных ламинатов для печатных плат, которые в основном используются в радиочастотных, микроволновых и высокоскоростных цифровых приложениях. Этот материал обладает хорошими характеристиками в широком диапазоне частот и известен стабильными диэлектрическими постоянными и низкими потерями. Подложки Rogers доступны в различных составах, хотя они дороже альтернатив FR-4, некоторые из них совместимы со стандартными процессами производства печатных плат (например, серия RO4000).
- PTFE (тефлон)
PTFE (тефлон) — это материал с низкими потерями и низким диэлектрической проницаемостью, который подходит для высокочастотных и микроволновых печатных плат, таких как антенны 5G и РЧ-усилители. Он устойчив к температурам до 250 °C и химически стойкий, но настолько мягкий, что для прочности требует наполнителей.
PTFE также дорог и сложен в обработке, требует специальной обработки поверхности и процессов сверления для изготовления надежных печатных плат.
- Керамика
Керамические материалы, такие как оксид алюминия и нитрид алюминия, отличаются высокой теплопроводностью, отличной электроизоляцией и низким тепловым расширением. Они дороги, и их конструкция ограничена, но они хорошо подходят для светодиодного освещения, радиочастотной мощности, аэрокосмической и военной электроники, где теплоотвод и механическая прочность имеют первостепенное значение.
- Металл
В печатных платах с металлическим сердечником в качестве подложки обычно используется алюминий или медь, поскольку они обеспечивают отличную теплоотдачу и механическую прочность. Поэтому эти материалы подходят для высокомощных применений, таких как светодиодное освещение и преобразователи мощности. Хотя они не подходят для сложных многослойных конструкций, они хорошо работают в системах теплового управления, где FR-4 неэффективен.
- CEM
Композитные эпоксидные материалы (CEM-1, CEM-3) — это недорогие материалы для печатных плат, состоящие из бумаги или стекловолокна, армированного эпоксидной или фенольной смолой. Хотя они не так эффективны, как FR-4, который имеет более высокую диэлектрическую проницаемость и влагопоглощение, они являются доступным выбором для простых односторонних плат и бытовой электроники начального уровня.
Свойства материалов печатных плат: критические параметры производительности
Для выбора подложки печатной платы важно изучить основные характеристики материалов, поскольку они напрямую влияют на производительность печатной платы:
Диэлектрическая проницаемость: это параметр, который позволяет измерить способность материала накапливать электрическую энергию. Более низкие значения DK способствуют быстрой передаче сигналов и минимизации перекрестных помех, что делает их идеальным выбором для высокочастотных приложений, требующих высокой точности синхронизации.
Коэффициент диэлектрических потерь: количественно выражает диэлектрические потери при преобразовании электрической энергии в тепло. Более низкие значения Df означают лучшую целостность сигнала за счет минимальных потерь мощности, что является ключевым фактором для высокоскоростных цифровых и радиочастотных схем.
Теплопроводность: это свойство используется для определения эффективности теплопередачи через материал.Чем выше значение, тем лучше теплоотвод. Это помогает избежать теплового повреждения и поддерживать стабильную работу в силовых приложениях.
Температура стеклования: Относится к температуре, при которой материалы переходят из твердого состояния в мягкое. Более высокие значения Tg указывают на стабильность размеров во время пайки даже при работе в условиях повышенных температур, без коробления и расслоения.
Коэффициент теплового расширения: измеряет изменение размеров при изменении температуры. Более низкий CTE обеспечивает меньшее напряжение на паяных соединениях и соединениях компонентов, а значит, повышает надежность при термоциклировании в экстремальных условиях.
Поглощение влаги: этот параметр показывает количество воды, которое материал поглощает из окружающей среды. Снижение поглощения предотвращает изменение размеров и ухудшение электрических свойств, а также расслоение во время производства и эксплуатации.
Таблица сравнения: материал печатной платы и его характеристики
| Материал | Dk (1ГГц) | Df (1ГГц) | Tg(°C) | Теплопроводность (Вт/м·К) |
| FR4 | 4.2–4.7 | 0.015–0.025 | 130–180 | 0.25–0.3 |
| Полиимид | 3.9–4.3 | 0.004–0.02 | 200–260 | 0.2–0.4 |
| Rogers | 3.0–3.5 | 0.003–0.004 | >280 | 0.62–1.0 |
| PTFE (Тефлон) | 2.1–2.6 | 0.0005–0.002 | >260 | 0.25–0.5 |
| Керамика | 6–10 | ≤0.001–0.002 | >800 | 20–180 |
| Металл | 4.0–7.0 | 0.02–0.04 | ~130–180 | 1.0–5.0 |
| CEM-1 / CEM-3 | 4.5–5.0 | 0.03–0.05 | 110–130 | 0.2–0.3 |
Факторы, которые необходимо учитывать при выборе материалов для печатных плат
Материал печатной платы следует выбирать, учитывая множество факторов, которые напрямую влияют на производительность, технологичность и стоимость вашего продукта. Основные аспекты, которые необходимо учитывать, следующие:
Механическая прочность: материалы для печатных плат должны выдерживать физические нагрузки во время производства и эксплуатации. Необходимо учитывать такие факторы, как гибкость или жесткость, прочность на разрыв и количество слоев. Надлежащие механические свойства гарантируют надежность и длительный срок службы в сложных условиях эксплуатации.
Целостность электрического сигнала: это основная проблема при высокоскоростной передаче данных. Неправильное управление целостностью сигнала может привести к нежелательным эффектам, таким как перекрестные помехи, потеря сигнала и электромагнитные помехи (ЭМИ). Выбор материала для печатных плат, обеспечивающего хорошую целостность сигнала, сделает сигналы четкими и точными, что минимизирует вероятность потери данных и ошибок связи.
Стоимость материалов: FR-4 является экономичным материалом, в то время как полиимид и PTFE являются дорогостоящими, несмотря на свои превосходные характеристики. Следует учитывать долгосрочные затраты на владение — дополнительные затраты на материалы вначале могут быть компенсированы за счет более высокой надежности, более низких затрат на техническое обслуживание и лучших характеристик в сложных условиях эксплуатации.
Процесс производства: при выборе материалов для печатных плат следует также учитывать их технологичность. Например, FR-4 прост в обращении и широко доступен, тогда как специальные материалы часто требуют специальных процедур. Использование правильного материала обеспечивает эффективное производство, контроль затрат и поддержание качества.
Нормативные требования и отраслевые стандарты: материалы для печатных плат должны соответствовать ключевым стандартам, таким как IPC и RoHS, которые регулируют качество, экологические вопросы и безопасность. Эти требования зависят от отрасли и региона, а для выхода на рынок требуются специальные сертификаты. Крайне важно выбирать материалы, соответствующие стандартам целевых рынков.
Предполагаемое применение: Требования к применению являются основными факторами при выборе материала. В бытовой электронике используется экономичный FR-4, в автомобильной промышленности требуется полиимид с высокой надежностью для обеспечения термостойкости, а в аэрокосмической промышленности — PTFE из-за его экстремальной рабочей температуры и низких потерь.
Профессиональные услуги по выбору материалов для печатных плат
Выбор материала для печатных плат имеет важное значение для успеха проекта, поскольку неправильный выбор может привести к неэффективной работе, дорогостоящей перепроектировке и задержкам.
Обладая богатым опытом работы с различными материалами, наша опытная команда инженеров может предложить специализированные консультации по выбору материалов, проектированию многослойных конструкций и оптимизации технологичности. Обратитесь к нашим инженерам сегодня, и они предоставят вам рекомендации по выбору материалов!
Свяжитесь с нами
Есть вопросы или запросы? Заполните форму, и мы свяжемся с вами в ближайшее время.
