Из чего сделаны печатные платы? Руководство производителя печатных плат по материалам плат

Спросите большинство инженеров, из чего сделана печатная плата, и вы услышите одно слово: стекловолокно. Этот ответ правильный, но он охватывает только первый слой более длинной истории. Печатная плата — это тщательно разработанный набор материалов, и каждый из них должен занять свое место. Подложка придает плате ее корпус и электрическую изоляцию, медь проводит ток, паяльная маска защищает поверхность, а окончательная обработка сохраняет медь пригодной для пайки в течение многих лет.

Мы производим платы на нашем заводе в Гуанде с 2013 года: от простых односторонних панелей до 32-слойных стопок, поэтому мы склонны отвечать на этот вопрос так, как это делает производитель. Настоящий вопрос заключается не в том, из чего вообще сделана печатная плата, а в том, какая комбинация материалов выживет в среде вашего продукта в течение ожидаемого срока службы.

Основные ингредиенты печатной платы

Избавьтесь от жаргона, и вы поймете, что почти каждая доска изготовлена из одного и того же короткого списка материалов:

• Подложка: изоляционная основа, обычно тканая из стекловолокна, скрепленная эпоксидной смолой.
• Медная фольга: ламинируется на подложку и травится на дорожках, контактных площадках и плоскостях.
• Покрытие: медь, а иногда и олово или золото, нанесенное внутри просверленных отверстий для соединения слоев.
• Паяльная маска: цветное покрытие, которое покрывает все, кроме контактных площадок, которые нужно припаять.
• Шелкография: напечатанная легенда, идентифицирующая компоненты и их условные обозначения.
• Поверхностная обработка: тонкий металлический или органический слой, который предотвращает окисление открытой меди.

Каждый из этих материалов можно заменять, модернизировать или утолщать, и каждая замена одновременно меняет стоимость, технологичность и надежность в эксплуатации.

Субстрат: стеклоткань, смола и альтернативы

Стандарт ФР-4 начинается с тканого стеклоткани. Ткань пропитывается эпоксидной смолой и частично отверждается в лист, называемый препрегом, затем укладывается и сжимается под воздействием тепла и давления, пока смола не растечется и не затвердеет. В результате получается жесткий, стабильный по размерам и отличный изолятор: стекло обеспечивает механическую прочность, а смола определяет электрические и термические свойства.

С этого момента семья быстро разветвляется:

• FR-4 в стандартных, высокотемпературных и безгалогенных марках — «рабочая лошадка» в отрасли.
• CEM-1 и СЕМ-3, композитные эпоксидные смолы с нетканым стеклянным сердечником для чувствительных к затратам продуктов.
• FR-1 и FR-2, ламинаты на бумажной основе, используемые в очень недорогих односторонних картонах.
• Полиимидная пленка, гибкая основа для ФПК и жестко-гибких конструкций, нуждающихся в изгибе.
• Углеводородные ламинаты из ПТФЭ и керамического наполнителя, выбранные, когда потери сигнала должны оставаться низкими на гигагерцовых частотах.

Большинство важных компромиссов связано с системой смолы, а не с медью. Температура стеклования, температура разложения, диэлектрическая проницаемость и влагопоглощение зависят от химического состава ламината.

Двусторонняя печатная плата OSP В печатных платах FR4 используется подложка из стекловолокна на основе эпоксидной смолы, обеспечивающая превосходную механическую прочность, устойчивость к высоким температурам и электроизоляционные свойства. Они... Посмотреть продукт →

Двусторонняя плата FR-4 с отделкой OSP является повседневным примером: стандартный ламинат, стандартная толщина и отделка, которая подходит для пайки оплавлением в больших объемах без увеличения затрат.

Медь: часть, по которой течет ток

Медь – второй важный ингредиент. Фольга указывается по весу, и стоит запомнить преобразование: одна унция меди, распределенная на один квадратный фут, имеет толщину примерно 35 микрон. Цифровые конструкции с мелким шагом обычно выполняются на фольге весом в пол-унции или одну унцию, силовые платы - до двух унций, а изделия из тяжелой меди - до трех унций и выше.

Медь появляется в большем количестве мест, чем видимые следы. Во время изготовления дополнительная медь наносится гальваническим способом в каждое просверленное отверстие, чтобы сформировать непрерывную стенку цилиндра, а перед травлением на внешние слои наносится узорное покрытие. Качество этого покрытия, а не только его толщина, определяет, выдержит ли переход многократное термоциклирование.

Когда текущие требования растут, ответом часто является увеличение количества медных проводов, а не увеличение площади платы. Конструкции из тяжелой меди распределяют нагрузку по внутренним слоям, что позволяет контролировать рост температуры без внешнего радиатора.

14-слойная медь В печатных платах из толстой меди используется сверхтолстая медная фольга плотностью от 3 до 20 унций, обладающая исключительной токовой нагрузкой (более 100 А) и устойчивостью к высоким температурам. Посмотреть продукт →

Когда стекловолокно — неправильный выбор

FR-4 отвечает на большинство вопросов, но когда это невозможно, три семейства материалов вступают во владение.

Платы с металлическим и медным сердечником

Алюминий используется в качестве основы, когда тепло должно быстро покинуть плату. Тонкий диэлектрический слой приклеен к алюминию, сверху вытравлена ​​медная схема, а металлическая подложка действует как рассеиватель тепла. Версии с медным сердечником идут еще дальше, обеспечивая очень высокую плотность тока в светодиодном освещении, приводах двигателей и преобразовании энергии. Каким бы тонким он ни был, этот диэлектрический слой все равно должен выдерживать полное рабочее напряжение, поэтому в первую очередь стоит проверить его толщину и теплопроводность.

Односторонняя алюминиевая печатная плата В металлических подложках в качестве основного теплопроводящего слоя используются алюминий, медь и другие металлы. Специальный изолирующий диэлектрик обеспечивает превосходный отвод тепла... Посмотреть продукт →

Керамические подложки

Оксид алюминия и нитрид алюминия обеспечивают теплопроводность, с которой не может сравниться ни один полимерный ламинат, а также коэффициент теплового расширения, близкий к кремнию. Они появляются в мощных светодиодных модулях, высокочастотных силовых каскадах и датчиках, которые должны продолжать работать при больших перепадах температуры.

Гибкие пленки

Полиимид заменяет стеклоткань, когда доску приходится сгибать. Применяются те же правила меди и отделки, меняется только основание, а вместе с ним и правила обращения при сборке.

Паяльная маска, шелкография и обработка поверхности

Паяльная маска представляет собой покрытие на основе эпоксидной смолы, которое наносится на плату и затем отверждается. Он предотвращает попадание припоя между контактными площадками, защищает медь под ней от влаги и загрязнений и придает плате привычный цвет. Зеленый является традиционным, поскольку он имеет самый длинный опыт в области визуализации и контроля, но черный, синий, красный и матовый черный сегодня являются обычным явлением. Чернила шелкографии печатаются поверх маски для обозначения ссылок на компоненты и полярности, и, хотя по ним нет тока, это первое, на что полагается оператор сборки.

Обработка поверхности – это последнее решение по выбору материала и одно из наиболее важных. Выравнивание припоем горячим воздухом является недорогим вариантом, OSP является органическим и тускнеет после нескольких пайок, а ENIG или иммерсионное серебро обеспечивают плоскую поверхность для деталей с мелким шагом. Там, где доску неоднократно вставляют и вынимают, ответом может стать твердое золото. Все наши покрытия доступны в бессвинцовой версии.

Краткий обзор материалов печатных плат

В таблице ниже приведены материальные системы, которые мы строим чаще всего, и из чего состоит каждая из них.

Как приложение выбирает материал

Выбор материала редко является свободным выбором. Это соответствует среде, в которой будет жить доска.

Потребительские товары и бытовая техника

Там, где преобладает стоимость, обычно достаточно стандартного FR-4 или CEM-3 с отделкой HASL или OSP.

Автомобильный и промышленный контроль

Вибрация, термоциклирование и длительный срок службы подталкивают конструкции к использованию ламинатов с высоким Tg, более толстой меди и покрытий, таких как ENIG, которые выдерживают многократное оплавание.

Силовые и высокочастотные конструкции

Управление температурным режимом и целостность сигнала имеют приоритет, что означает использование материалов на основе металлического сердечника, керамики или ПТФЭ, а не более толстой стеклянной панели.

Если вы не уверены, где находится ваш продукт, полезно увидеть, как подобные платы уже создаются. Вы можете просматривать области применения, которые мы поддерживаем чтобы увидеть уже проверенные комбинации материалов в каждом сегменте.

Практические заметки из цеха

Несколько вещей, которые мы говорим клиентам, которые выбирают материалы впервые:

1. Выбирайте отделку до того, как макет будет заморожен, потому что от этого зависят геометрия площадки и натяжение переходного отверстия.
2. Сопоставьте вес меди с текущим состоянием, а не с привычкой, поскольку слишком большой размер меди увеличивает сложность и стоимость травления.
3. Спросите о Tg заранее, потому что ламинат с высоким Tg стоит немного дороже и устраняет целый класс полевых провалов.
4. Перед выпуском подтвердите составной рисунок, поскольку большинство задержек начинаются с отсутствия или неоднозначности слоя.

Если вы хотите более подробно изучить, как взаимодействуют выбор ламината, вес меди и отделка, наше руководство по выбор материалов FR-4, RF и металлосердечника более подробно рассматривает сравнения.

Так из чего же сделаны печатные платы? Стеклоткань и эпоксидная смола, медная фольга и гальванические стволы, паяльная маска, печатная надпись и финальная отделка, обеспечивающая возможность пайки. Интересная часть — не сам список, а то, как эти материалы соответствуют работе. Сделайте это правильно, и плата спокойно будет работать в течение десяти или более лет.