مواد قاعدة PCB: من FR-4 إلى Rogers والمرن

المادة الأساسية للوحة دوائر مطبوعة هي الطبقة العازلة (العازل) التي تمسك النحاس. تقرر كم الحرارة تتحمّلها اللوحة، وبأي سرعة تسافر الإشارات على طولها، وبأي جودة تحمل الحرارة بعيدًا، وما إذا كانت تنحني. معظم اللوحات تستخدم المادة نفسها؛ تحتاجون أخرى لسبب فقط.

ما هي الصفيحة الرقائقية

تبدأ لوحة صلبة كصفيحة رقائقية: ورقة من مادة عازلة مع رقاقة نحاس ملتصقة بوجه واحد أو كلا الوجهين. العازل عادة ألياف زجاج منسوجة منقوعة في راتنج ومُعالَجة. طبقات لوحة متعددة الطبقات ممسوكة معًا بواسطة prepreg، قماش زجاجي براتنج مُعالَج جزئيًا يذوب ويلتصق أثناء الترقيق. ثلاثة أرقام تصف صفيحة رقائقية لمعظم الأغراض:

1. رقاقة نحاس، ملتصقة بالوجه.
2. الراتنج: الإيبوكسي المُعالَج الذي يمسك كل شيء ويعزل.
3. قماش زجاجي: الأشكال البيضاوية حزم ألياف مقطوعة عبرًا، والخيط المتموّج يمتد على طوله. يعطي قوة وسماكة ثابتة.
4. نحاس على الوجه الآخر. القلب له رقاقة على كلا الجانبين، ونقش نمط النحاس منه لاحقًا.

• Tg (درجة حرارة الانتقال الزجاجي). درجة الحرارة التي يتحول عندها الراتنج من صلب إلى لين. فوق Tg تتوسع اللوحة أسرع بكثير، وتُجهد الثقوب والطلاء.
• Dk (ثابت العزل) وDf (عامل التبديد). مدى تأثير المادة على الإشارات الكهربائية وكم طاقة الإشارة تمتص. يهمان عند الترددات العالية وللمعاوقة المضبوطة.
• التوصيل الحراري. مدى جودة تدفق الحرارة عبر العازل.

FR-4

FR-4 هو الاسم الشائع لصفيحة إيبوكسي مقوّاة بالزجاج مع مادة مثبطة للهب. رخيصة وقوية وسهلة المعالجة وجيدة بما يكفي لمعظم الإلكترونيات. Dk الخاص بها عادة حوالي 4 إلى 4.6، يعتمد على محتوى الراتنج والتردد، ويختلف من دفعة لأخرى وبين الصانعين، لذا مصمم يحتاج قيمة دقيقة يطلبها من هيكل الطبقات.

تأتي FR-4 في درجات، أساسًا بحسب Tg:

يذوب اللحام الخالي من الرصاص عند درجة حرارة أعلى من لحام القصدير والرصاص، وتمر اللوحة عبر الفرن عند درجة الحرارة الأعلى، أحيانًا مرتين. اللوحات بطبقات عديدة واللوحات السميكة واللوحات التي ستُعاد صيانتها تستفيد من Tg أعلى. رقم ذو صلة، Td (درجة حرارة التحلل)، يخبر متى يبدأ الراتنج بفقدان الكتلة، وهو سبب آخر لاختيار درجة أفضل لخدمة صعبة.

فوق Tg الخاصة بها يلين الراتنج وتتوسع اللوحة أسرع بكثير. يقارن الرسم درجتين.

1. Tg درجة أدنى: فوق درجة الحرارة هذه تنمو اللوحة أسرع بكثير.
2. Tg درجة أعلى: تبقى اللوحة صلبة حتى درجة حرارة أعلى.

تُباع متغيرات أخرى من FR-4: إصدارات خالية من الهالوجين لأسواق تطلبها، ودرجات بمقاومة أفضل للخيوط الأيونية الموصلة (فشل بطيء داخل اللوحة). اطلبوها عندما يحتاجها منتجكم.

لوحات قلب معدني (ألمنيوم ونحاس)

تربط لوحة قلب معدني طبقة دائرة نحاس رقيقة، عبر طبقة عزل رقيقة، بقاعدة معدنية، عادة ألمنيوم وأحيانًا نحاس. النقطة هي الحرارة: طبقة العزل مصنوعة لتوصيل الحرارة أفضل بكثير من FR-4، والمعدن ينشرها. المستخدمون المعتادون هم إضاءة LED وتحويل القدرة.

أمور يجب معرفتها:

• معظمها أحادي الجانب؛ إصدارات ثنائية الجانب ومتعددة الطبقات موجودة وتكلف أكثر.
• التوصيل الحراري لطبقة العازل يختلف بشكل واسع بين الدرجات، لذا الرقم على ورقة البيانات يستحق السؤال عنه.
• يتوسع الألمنيوم بشكل مختلف عن المكونات عليه، وهذا قد يُجهد مكونات خزفية كبيرة ووصلات لحام تحت دورات الحرارة.
• حفر لوحة معدنية وتوجيهها أبطأ واللوحة أثقل. اسألوا عن الحدود.

صفائح عالية التردد (Rogers وPTFE وغيرها)

عند ترددات الراديو والميكروويف، تفقد FR-4 القياسية إشارة كثيرة جدًا، وDk الخاص بها يختلف كثيرًا جدًا. الصفائح الخاصة لها Dk أقل وأكثر ثباتًا وDf أقل بكثير. تقع في مجموعتين: قائمة على PTFE (نوع Teflon) ومواد هيدروكربون مملوءة بالخزف أو مواد مشابهة. شركة Rogers هي صانع معروف؛ صانعون آخرون يبيعون مكافئات. تتراوح قيم Dk من حوالي 2 إلى 10 عبر العائلات، لذا الخيار يتبع التصميم.

نقاط عملية:

• هي أغلى للمساحة من FR-4.
• قد تحتاج معالجة خاصة، لأن PTFE لين وزلق.
• العديد من التصاميم تستخدم هجينًا: طبقة رقيقة عالية التردد لجزء الراديو وFR-4 للباقي، وهذا يقلل التكلفة لكن يحتاج هيكل طبقات يعمل للمصنع.
• اسألوا المصنع أي علامات وسماكات يستطيع توريدها قبل تصميم اللوحة حول واحدة.

نادرًا ما تحتاجون هذه تحت 1 GHz. بين 1 وعدة غيغاهرتز، تصميم FR-4 حذر يعمل لمنتجات عديدة؛ فوق ذلك، أو عندما تهم الخسائر، تصبح صفيحة أفضل هي الخيار السليم.

لوحات مرنة وصلبة مرنة

لوحة مرنة مصنوعة على فيلم بوليميد، لا على ألياف زجاج. تنحني، ويمكن طيّها مرة واحدة لتناسب، أو ثنيها مرارًا في جزء متحرك. الاستخدامان مختلفان: ثنية تُعمل مرة واحدة هي ثنية ثابتة، والثني المتكرر ثنية ديناميكية، وقواعد التصميم (نوع النحاس ونصف قطر الثني وتوجيه المسار) ليست نفسها. الصلب المرن يجمع أقسامًا صلبة ووصلات مرنة في قطعة واحدة.

نقاط يجب تذكّرها:

• يحتاج المرن نصف قطر ثني يعتمد على سماكته؛ يستخدم المصممون مضاعفًا للسماكة الإجمالية، مع مضاعفات أكبر لطبقات أكثر وللاستخدام الديناميكي.
• تُضاف مقويات (مادة صلبة إضافية ملتصقة خلف مناطق الموصلات) حيث تُركّب المكونات أو حيث يتصل موصل.
• المرن والصلب المرن يكلفان أكثر بكثير للمساحة من FR-4.
• يمتص المرن الرطوبة وينبغي تجفيفه قبل التجميع.

1. FR-4: نحاس، قلب صلب من قماش زجاجي في راتنج (الخطوط)، نحاس.
2. قلب معدني: دائرة نحاس، طبقة عزل رقيقة، ثم قاعدة معدنية سميكة.
3. مرن: فيلم رقيق عليه نحاس. ينحني بدل البقاء مسطحًا.
4. الحرارة من مكون على لوحة قلب معدني تنزل عبر العازل الرقيق إلى القاعدة.

كيفية الاختيار

1. ابدؤوا بـ FR-4. اختاروا Tg من عملية اللحام وعدد الطبقات.
2. اختاروا قلبًا معدنيًا عندما تكون حرارة بضعة مكونات هي المشكلة، وانقلوا الحرارة خارجًا عبر اللوحة.
3. اختاروا صفيحة عالية التردد عندما تحدد الخسائر أو Dk مستقر الأداء، عادة للراديو.
4. اختاروا المرن عندما يتحرك المنتج أو يجب أن يناسب شكلًا لا تستطيعه لوحة صلبة.
5. عند الشك، اسألوا المصنع قبل تصميم اللوحة حول مادة.

كيف يظهر هذا عند الطلب هنا

المواد والسماكات والعمليات الخاصة المعروضة مدرجة في صفحة إمكانات التصنيع، والقائمة السارية هي القائمة التي تهم. يعمل المصنع مع FR-4 والألمنيوم والنحاس وركائز مرنة، ومع مواد Tg عالية وخالية من الهالوجين وعالية التردد. أي منها يمكنكم طلبه عبر الموقع مضبوط في صفحة إمكانات التصنيع، ويؤكد مهندس كل طلب. تُغطّى هياكل الطبقات والمعاوقة في سماكة النحاس وهياكل الطبقات والمعاوقة.