Материалы для изготовления печатных плат несут две функции — обеспечение электрического соединения между компонентами и изоляцию между проводящими элементами платы.

По сути, материалы печатной платы (PCB) содержат линии передачи и компоненты, которые обеспечивают работу радиочастотных/микроволновых схем. Поэтому от характеристик материалов платы зависит качество работы устройства. Кроме того, материалы влияют на термическое поведение изделия, а также на электрические и механические характеристики изделия.

Выбор материала для печатной платы зависит прежде всего от типа печатной платы. Различают несколько основных типов печатных плат:

  • Односторонние печатные платы
  • Двусторонние печатные платы
  • Многослойные печатные платы
  • Жесткие печатные платы
  • Гибкие печатные платы
  • Жесткие гибкие печатные платы

Рассмотрим более подробно каждый тип, чтобы выделить отличия между ними.

 

Односторонние печатные платы

Односторонняя печатная плата — наиболее распространенный тип печатной платы. Он имеет один проводящий слой меди над подложкой. Электрические компоненты припаяны или размещены на одной стороне платы, а вся протравленная схема на оборотной. Поскольку эти платы имеют только один проводящий слой, проводящие пути не могут пересекаться или перекрываться и, следовательно, занимают много места.

В результате эти печатные платы подходят для требований дизайна с низкой плотностью. Односторонние печатные платы (PCB) используются для основных и недорогих электрических/электронных приборов, таких как калькуляторы, источники питания, светодиодные осветительные платы, FM-радио, схемы синхронизации и т. д.

 

Двусторонние печатные платы

Тонкий слой проводящего материала, такого как медь, расположен по верхней и нижней стороне платы в двусторонней печатной плате. Отверстия в печатной плате позволяют соединять металлические части обеих сторон. Эти печатные платы соединяют цепи с обеих сторон, используя один из двух методов монтажа: технологию сквозного монтажа или технологию поверхностного монтажа. Технология сквозных отверстий предполагает установку свинцовых компонентов в предварительно просверленные отверстия на печатной плате, которые затем припаиваются к контактным площадкам на противоположных сторонах. Технология поверхностного монтажа предполагает точное размещение электрических компонентов на поверхности печатных плат.

Двусторонние печатные платы используются в различных приложениях, таких как системы сотовой связи, мониторинг мощности, испытательное оборудование, усилители, приложения HVAC, системы ИБП и многие другие.

 

Многослойные печатные платы

Многослойные печатные платы содержат более двух слоев меди. Как правило, в эту категорию включается любая плата, имеющая как минимум три проводящих слоя. Многослойные печатные платы спроектированы по принципу «сэндвич» с несколькими двусторонними проводящими слоями, разделенными равным количеством листов изоляционного материала. Все они должны быть склеены и ламинированы вместе при высоких давлениях и температурах, чтобы не было воздушных зазоров и чтобы окончательная сборка печатной платы была должным образом стабильной.

Многослойные печатные платы используются в компьютерах, ноутбуках, мобильных телефонах, планшетах, медицинском оборудовании, GPS-трекерах и многих других более сложных схемах и устройствах.

 

Жесткие печатные платы

Как следует из названия, жесткая печатная плата — это печатная плата, которую нельзя скручивать или складывать. Основным материалом платы является жесткая подложка, которая придает плате жесткость и прочность. Они состоят из нескольких слоев, включая слой подложки, слой меди, слой паяльной маски и слой шелкографии, которые склеиваются вместе с помощью клея и нагрева. Хотя некоторые печатные платы могут быть односторонними, двусторонними или многослойными, жесткие печатные платы могут быть любыми из них в зависимости от потребностей.

Жесткие печатные платы используются в оборудовании GPS, компьютерах, ноутбуках, планшетах, мобильных телефонах, рентгеновских снимках, сердечных мониторах, компьютерных томографах, системах МРТ, датчиках температуры, контрольно-измерительных приборах и т. д.

 

Гибкие печатные платы

Гибкая печатная плата состоит из множества печатных схем и компонентов, размещенных на гибкой подложке. Гибкие печатные платы обычно изготавливаются из полиамида, PEEK (полиэфирэфиркетона) или прозрачной проводящей полиэфирной пленки. Эти печатные платы изготавливаются с использованием тех же компонентов, что и жесткие печатные платы. Основное отличие состоит в том, что плата разработана таким образом, чтобы можно было принимать желаемую форму. Гибкие печатные платы доступны в односторонней, двусторонней и многослойной конфигурациях. Это способствует снижению сложности сборки изделия.

Гибкие печатные платы используются в производстве органических светодиодов (OLED), ЖК-дисплеях, гибких солнечных элементах, автомобильной промышленности, сотовых телефонах, камерах и сложных электронных продуктах, таких как портативные компьютеры.

 

Гибридные (гибко-жесткие) печатные платы

Печатная плата Rigid-Flex — это гибридная печатная плата, которая объединяет элементы как гибких, так и жестких печатных плат, в результате чего плата может складываться или непрерывно изгибаться и обычно принимает изогнутую форму или кривую в процессе производства. Гибкая часть платы обычно используется для соединения между жесткими платами, что позволяет использовать более узкие проводящие линии, которые занимают меньше места, что приводит к меньшим размерам плат. Использование гибких печатных плат для межсоединений часто устраняет необходимость в соединителях, которые являются громоздкими, делая жестко-гибкие печатные платы намного легче. Конструкции Rigid-Flex PCB немного сложнее, поскольку эти платы построены в 3D, что позволяет сгибать или скручивать плату для получения желаемой формы для продукта. Трехмерное проектирование платы позволяет улучшить пространственные характеристики, которые затем можно использовать в особых случаях, когда требуется уменьшение пространства и веса, например, в медицинских устройствах.

Гибридные платы могут быть сконструированы компактно, а их легкий вес делает их отличным вариантом для широкого спектра применений в аэрокосмической, медицинской и бытовой электронике.

 

Базовые материалы для печатных плат

Инженеры выбирают материалы опираясь на электрические, механические, термические и некоторые другие характеристики материалов для печатных плат. Кроме того, при выборе приходится руководствоваться нормативными государственными требованиями. Например, директива Европейского Союза об ограничении использования опасных веществ (RoHS) запрещает использование материалов, содержащих любые запрещенные химические вещества и металлы.

Ламинат обычно изготавливается из смол и тканевой основы, которые обладают отличными изоляционными свойствами. К ним относятся диэлектрики, такие как эпоксидная смола FR4, тефлон, полиимид и другие ламинаты, в которых используется сочетание стекловолокна с полимерными покрытиями. Многие отличительные термические и электрические факторы определяют, какой ламинат лучше всего подойдет для данной конструкции печатной платы.

При выборе материала для своей печатной платы инженеры оценивают характеристики материала:

  • Диэлектрическая проницаемость — ключевой показатель электрических характеристик;
  • Огнестойкость — критично для сертификации UL;
  • Температура стеклования (Tg) – устойчивость к высоким температурам при сборке;
  • Величина потерь — важно в высокоскоростных приложениях, где важна скорость сигнала;
  • Механическая прочность, включая сдвиг, растяжение и другие механические характеристики, которые могут потребоваться от печатной платы при вводе в эксплуатацию;
  • Тепловые характеристики — важное значение в условиях эксплуатации при недостаточном охлаждении;
  • Стабильность размеров при воздействии факторов внешней среды.

Таблицы данных на материалы для печатных плат часто легко доступны в Интернете с помощью простого поиска в Google по типу материала. Таблицы сложны для понимания, поскольку содержат большой объем характеристик. Чтобы упростить задачу подбора по параметрам, выделим несколько ключевых параметров, на которые следует обратить внимание.

Во-первых, это значение Tg — температура стеклования, которая указывает, при какой температуре основной материал станет нестабильным. Общие значения Tg, которые необходимо указать, составляют 130, 150 и 170 градусов Цельсия. Важно учитывать, потому что, если ваша печатная плата будет работать в среде с повышенной температурой, то выбор подходящего Tg может увеличить срок службы печатной платы. Также целесообразно учитывать значение Td материала. Данный параметр относится к температуре разложения материала. Он часто представлен в таблице данных вместе со значением Tg и другими свойствами материала.

Помимо тепловых свойств, также важно учитывать электрические характеристики материалов, такие как значение Dk — диэлектрическая проницаемость. На это особенно важно обратить внимание, если у вас применяются трассы с высокоскоростными сигналами, которая требует трассировки контролируемого импеданса. Когда вы определили это, вам потребуется определенное значение импеданса для несимметричных или дифференциальных пар, рекомендуется указать значение Dk. Когда вы указали значение Dk, CAD поддерживает изготовление печатной платы для моделирования результата значения импеданса с заданным стеком.

К наиболее популярным фольгированные материалы для печатных плат на керамической основе относятся

Наиболее распространённые диэлектрические материалы для гибридных (гибко-жестких) плат

Распространённые диэлектрические материалы для печатных плат для гибких плат:

Несмотря на большое количество новых материалов, самым популярным пока остается FR-4 — ламинат, армированный стеклотканью, склеенный термостойкой эпоксидной смолой.

Стеклотекстолит FR-4 отличается низкой стоимостью и универсальностью. Он сделан из листов препрега, который, в свою очередь, представляет собой маты из стекловолокна, пропитанные эпоксидной смолой. В настоящее время FR-4 представляет собой отраслевой стандарт в отношении простоты сверления и металлизации. Несмотря на низкую стоимость, FR-4 обеспечивает хорошие характеристики на ВЧ/СВЧ частотах.

FR-4 обеспечивает:

  • Электроизоляцию с высоким значением диэлектрической проницаемости;
  • Высокое соотношение прочности и веса;
  • Влагостойкость;
  • Хорошую термостойкость, поэтому вы можете рассчитывать на то, что он будет хорошо работать в большинстве случаев в сложных условиях окружающей среды;

Хотя FR-4 достаточно гибок, его легок в обработке, однако материал обладает и недостатками, а именно, высокие диэлектрические потери (коэффициент рассеяния) на микроволновых частотах. Т.е. не подходит для высокоскоростных цифровых схем или высокочастотных аналоговых приложений выше нескольких ГГц.

FR-4 делится на несколько подвидов, в зависимости от его свойств и применения:

  • Стандартный, с температурой стеклования T g ~ 130 ° C. Самый распространенный и широко используемый вид. Также самый доступный FR-4.
  • При более высокой температуре стеклования Tg ~ 170 ° C — 180 ° C. Совместимость с технологией бессвинцового оплавления;
  • Без галогенов и совместим с технологией бессвинцового оплавления

 

Источники:

  1. www.ncabgroup.com;
  2. www.worldsway.com
  3. www.printedcircuits.com;
  4. www.essentracomponents.com;
  5. www.protoexpress.com;