Základní materiál desky plošných spojů (DPS) je izolační vrstva (dielektrikum), která drží měď. Rozhoduje, kolik tepla deska přežije, jak rychle signály cestují podél ní, jak dobře odvádí teplo a zda se ohýbá. Většina desek používá stejný materiál; jiný potřebujete jen z nějakého důvodu.
Co je laminát
Tuhá deska začíná jako laminát: deska izolačního materiálu s měděnou fólií vázanou na jedné nebo obou stranách. Izolátor je obvykle tkaná skelná vlákna namočená v pryskyřici a vytvrzená. Vrstvy vícevrstvé desky drží pohromadě prepreg, skelná tkanina s částečně vytvrzenou pryskyřicí, která při laminaci taje a váže. Pro většinu účelů laminát popisují tři čísla:
- Měděná fólie, vázaná na plochu.
- Pryskyřice: vytvrzený epoxid, který vše drží pohromadě a izoluje.
- Skelná tkanina: ovály jsou svazky vláken řezané napříč, vlnitý pramen běží podélně. Dává pevnost a stálou tloušťku.
- Měď na druhé ploše. Jádro má fólii na obou stranách a měděný vzor se z něj později leptá.
- Tg (teplota skelného přechodu). Teplota, při které pryskyřice přechází z tuhé na měkkou. Nad Tg se deska rozpíná mnohem rychleji a namáhá otvory a pokovení.
- Dk (dielektrická konstanta) a Df (ztrátový činitel). Jak silně materiál ovlivňuje elektrické signály a kolik signálové energie absorbuje. Záleží na nich při vysokých frekvencích a pro řízenou impedanci.
- Tepelná vodivost. Jak dobře teplo teče dielektrikem.
FR-4
FR-4 je běžný název pro sklem vyztužený epoxidový laminát s přísadou zpomalující hoření. Je levný, pevný, snadno zpracovatelný a dost dobrý pro většinu elektroniky. Jeho Dk je typicky asi 4 až 4,6, podle obsahu pryskyřice a frekvence, a liší se mezi dávkami a výrobci, takže návrhář, který potřebuje přesnou hodnotu, si ji vyžádá ze skladby vrstev.
FR-4 existuje ve třídách, hlavně podle Tg:
| Třída | Typická Tg | Použití |
|---|---|---|
| Standardní | asi 130 až 140 °C | Jednoduché desky, jeden nebo dva pájecí cykly |
| Mid Tg | asi 150 °C | Bezolovnaté pájení, více vrstev |
| High Tg | 170 °C a výše | Mnoho vrstev, silné desky, opakované reflow, vyšší provozní teplota |
Bezolovnatá pájka taje při vyšší teplotě než cín-olověná pájka a deska prochází pecí při vyšší teplotě, někdy dvakrát. Desky s mnoha vrstvami, silné desky a desky, které se budou opravovat, těží z vyšší Tg. Související údaj, Td (teplota rozkladu), říká, kdy pryskyřice začíná ztrácet hmotu, a je dalším důvodem volit lepší třídu pro náročnou službu.
Nad svou Tg pryskyřice měkne a deska se rozpíná mnohem rychleji. Výkres porovnává dvě třídy.
- Tg nižší třídy: nad touto teplotou deska roste mnohem rychleji.
- Tg vyšší třídy: deska zůstává tuhá do vyšší teploty.
Jiné varianty FR-4 se prodávají: bezhalogenové verze pro trhy, které je žádají, a třídy s lepší odolností vůči vodivým anodickým vláknům (pomalá porucha uvnitř desky). Požádejte o ně, když je Váš produkt potřebuje.
Desky s kovovým jádrem (hliník a měď)
Deska s kovovým jádrem váže tenkou měděnou obvodovou vrstvu přes tenkou izolační vrstvu ke kovové základně, obvykle hliníku a někdy mědi. Jde o teplo: izolační vrstva je vyrobena tak, aby vedla teplo mnohem lépe než FR-4, a kov je rozprostírá. Typickými uživateli jsou LED osvětlení a přeměna výkonu.
Věci, které je třeba vědět:
- Většina je jednostranná; oboustranné a vícevrstvé verze existují a stojí více.
- Tepelná vodivost dielektrické vrstvy se mezi třídami značně liší, takže údaj v datovém listu stojí za dotaz.
- Hliník se rozpíná jinak než součástky na něm, což může při teplotních cyklech namáhat velké keramické součástky a pájené spoje.
- Vrtání a frézování kovové desky je pomalejší a deska je těžší. Zeptejte se na limity.
Vysokofrekvenční lamináty (Rogers, PTFE a další)
Při rádiových a mikrovlnných frekvencích standardní FR-4 ztrácí příliš mnoho signálu a jeho Dk se příliš liší. Speciální lamináty mají nižší a stálejší Dk a mnohem nižší Df. Patří do dvou skupin: na bázi PTFE (typ Teflon) a keramikou plněné uhlovodíkové nebo podobné materiály. Rogers Corporation je známý výrobce; jiní výrobci prodávají ekvivalenty. Hodnoty Dk se napříč rodinami pohybují od asi 2 do 10, takže volba následuje návrh.
Praktické body:
- Jsou na plochu dražší než FR-4.
- Mohou potřebovat speciální zpracování, protože PTFE je měkký a kluzký.
- Mnoho návrhů používá hybrid: tenkou vysokofrekvenční vrstvu pro rádiovou část a FR-4 pro zbytek, což snižuje cenu, ale potřebuje skladbu vrstev, která funguje pro továrnu.
- Zeptejte se továrny, které značky a tloušťky dokáže dodat, než desku kolem jedné navrhnete.
Zřídka je potřebujete pod 1 GHz. Mezi 1 a několika gigahertzy pečlivý návrh FR-4 funguje pro mnohé produkty; nad tím, nebo když záleží na ztrátách, se lepší laminát stane rozumnou volbou.
Flexibilní a tuho-flexibilní desky
Flexibilní deska se vyrábí na polyimidovém filmu, ne na skelných vláknech. Ohýbá se a lze ji jednou složit, aby se vešla, nebo ohýbat znovu a znovu v pohyblivé části. Obě použití jsou různá: ohyb provedený jednou je statický ohyb, opakované ohýbání je dynamický ohyb a návrhová pravidla (typ mědi, poloměr ohybu, trasování spojů) nejsou stejná. Tuho-flexibilní kombinuje tuhé úseky a flexibilní spoje v jednom kusu.
Body k zapamatování:
- Flex potřebuje poloměr ohybu, který závisí na jeho tloušťce; návrháři používají násobek celkové tloušťky, s většími násobky pro více vrstev a pro dynamické použití.
- Výztuhy (extra tuhý materiál vázaný za oblastmi konektorů) se přidávají tam, kde se součástky montují nebo kde se konektor zasouvá.
- Flex a tuho-flexibilní stojí na plochu mnohem více než FR-4.
- Flex absorbuje vlhkost a měl by se před osazováním sušit.
- FR-4: měď, tuhé jádro ze skelné tkaniny v pryskyřici (pruhy), měď.
- Kovové jádro: měděný obvod, tenká izolační vrstva, poté silná kovová základna.
- Flex: tenký film s mědí na něm. Ohýbá se místo toho, aby zůstal plochý.
- Teplo ze součástky na desce s kovovým jádrem jde dolů tenkým izolátorem do základny.
Jak vybrat
- Začněte s FR-4. Tg vyberte podle pájecího procesu a počtu vrstev.
- Kovové jádro vyberte, když je problémem teplo od několika součástek, a teplo odveďte deskou ven.
- Vysokofrekvenční laminát vyberte, když ztráty nebo stabilní Dk určují výkon, obvykle pro rádio.
- Flex vyberte, když se produkt pohybuje nebo musí odpovídat tvaru, který tuhá deska nemůže.
- Při pochybách se zeptejte továrny, než desku kolem materiálu navrhnete.
Jak se to projeví při objednávce zde
Nabízené materiály, tloušťky a speciální procesy jsou uvedeny na stránce výrobních možností a platný seznam je seznam, který se počítá. Továrna pracuje s FR-4, hliníkem, mědí a flexibilními substráty a s materiály s vysokou Tg, bezhalogenovými a vysokofrekvenčními materiály. Které z nich můžete přes web objednat, je stanoveno na stránce výrobních možností a inženýr potvrdí každou objednávku. Skladby vrstev a impedance jsou pokryty v Tloušťka mědi, skladba vrstev a impedance.