Material dasar PCB dari FR-4 hingga Rogers dan fleksibel

Material dasar papan sirkuit cetak (PCB) adalah lapisan isolasi (dielektrik) yang menahan tembaga. Material ini menentukan seberapa besar panas yang dapat ditahan papan, seberapa cepat sinyal bergerak di sepanjang papan, seberapa baik panas dibuang, dan apakah papan dapat menekuk. Sebagian besar papan menggunakan material yang sama; Anda hanya memerlukan material lain bila ada alasan.

Apa itu laminasi

Papan kaku dimulai sebagai laminasi: lembaran material isolasi dengan foil tembaga yang direkatkan pada satu atau kedua sisi. Isolatornya biasanya serat kaca tenun yang direndam resin lalu dikeraskan. Lapisan papan multilapis disatukan oleh prepreg, kain kaca dengan resin setengah keras yang meleleh dan merekat selama proses laminasi. Tiga angka menggambarkan laminasi untuk sebagian besar keperluan:

1. Foil tembaga, direkatkan pada permukaan.
2. Resin: epoksi yang telah dikeraskan yang menyatukan semuanya dan mengisolasi.
3. Kain kaca: bentuk oval adalah bundel serat yang terpotong melintang, untaian bergelombang membujur. Kain ini memberi kekuatan dan ketebalan yang stabil.
4. Tembaga pada permukaan lain. Inti memiliki foil pada kedua sisi, dan pola tembaga dietsa darinya kemudian.

• Tg (suhu transisi kaca). Suhu saat resin berubah dari kaku menjadi lunak. Di atas Tg, papan mengembang jauh lebih cepat, dan memberi tekanan pada lubang dan pelapisan.
• Dk (konstanta dielektrik) dan Df (faktor disipasi). Seberapa kuat material memengaruhi sinyal listrik dan seberapa banyak energi sinyal yang diserap. Keduanya penting pada frekuensi tinggi dan untuk kontrol impedansi.
• Konduktivitas termal. Seberapa baik panas mengalir melalui dielektrik.

FR-4

FR-4 adalah nama umum untuk laminasi epoksi berpenguat kaca dengan aditif tahan api. Material ini murah, kuat, mudah diproses, dan cukup baik untuk sebagian besar elektronik. Dk-nya biasanya sekitar 4 hingga 4,6, tergantung pada kandungan resin dan frekuensi, dan berbeda antar batch dan antar produsen, sehingga perancang yang memerlukan nilai tepat memintanya dari susunan lapisan.

FR-4 tersedia dalam beberapa tingkat, terutama berdasarkan Tg:

Solder bebas timbal meleleh pada suhu lebih tinggi daripada solder timah-timbal, dan papan melewati oven pada suhu lebih tinggi tersebut, kadang dua kali. Papan dengan banyak lapisan, papan tebal, dan papan yang akan dikerjakan ulang diuntungkan oleh Tg yang lebih tinggi. Angka terkait, Td (suhu dekomposisi), menunjukkan kapan resin mulai kehilangan massa, dan menjadi alasan lain untuk memilih tingkat yang lebih baik untuk pemakaian berat.

Di atas Tg-nya, resin melunak dan papan mengembang jauh lebih cepat. Gambar membandingkan dua tingkat.

1. Tg tingkat yang lebih rendah: di atas suhu ini papan mengembang jauh lebih cepat.
2. Tg tingkat yang lebih tinggi: papan tetap kaku hingga suhu yang lebih tinggi.

Varian FR-4 lain juga dijual: versi bebas halogen untuk pasar yang memintanya, dan tingkat dengan ketahanan lebih baik terhadap filamen anodik konduktif (kegagalan lambat di dalam papan). Mintalah varian tersebut bila produk Anda memerlukannya.

Papan inti logam (aluminium dan tembaga)

Papan inti logam merekatkan lapisan sirkuit tembaga tipis, melalui lapisan isolasi tipis, ke dasar logam, biasanya aluminium dan kadang tembaga. Tujuannya adalah panas: lapisan isolasi dibuat menghantarkan panas jauh lebih baik daripada FR-4, dan logam menyebarkannya. Pengguna umumnya adalah pencahayaan LED dan konversi daya.

Hal yang perlu diketahui:

• Sebagian besar satu sisi; versi dua sisi dan multilapis tersedia dan lebih mahal.
• Konduktivitas termal lapisan dielektrik sangat berbeda antar tingkat, sehingga angka pada lembar data layak diminta.
• Aluminium mengembang secara berbeda dari komponen di atasnya, yang dapat memberi tekanan pada komponen keramik besar dan sambungan solder selama siklus suhu.
• Pengeboran dan perutean papan logam lebih lambat dan papan lebih berat. Tanyakan tentang batasannya.

Laminasi frekuensi tinggi (Rogers, PTFE, dan lainnya)

Pada frekuensi radio dan gelombang mikro, FR-4 standar kehilangan terlalu banyak sinyal, dan Dk-nya terlalu banyak berubah. Laminasi khusus memiliki Dk lebih rendah dan lebih stabil serta Df jauh lebih rendah. Laminasi ini terbagi dalam dua kelompok: berbasis PTFE (tipe Teflon) dan hidrokarbon berpengisi keramik atau material serupa. Rogers Corporation adalah produsen yang dikenal luas; produsen lain menjual produk setara. Nilai Dk berkisar dari sekitar 2 hingga 10 di seluruh keluarga material, sehingga pilihan mengikuti desain.

Poin praktis:

• Harganya lebih mahal per luas daripada FR-4.
• Material ini mungkin memerlukan pemrosesan khusus, karena PTFE lunak dan licin.
• Banyak desain menggunakan gabungan: lapisan frekuensi tinggi tipis untuk bagian radio dan FR-4 untuk sisanya, yang menurunkan biaya tetapi memerlukan susunan lapisan yang dapat diproduksi oleh pabrik.
• Tanyakan kepada pabrik merek dan ketebalan apa yang dapat disediakan sebelum Anda merancang papan berdasarkan salah satunya.

Anda jarang memerlukan material ini di bawah 1 GHz. Antara 1 hingga beberapa gigahertz, desain FR-4 yang cermat berfungsi untuk banyak produk; di atas itu, atau bila rugi-rugi penting, laminasi yang lebih baik menjadi pilihan yang tepat.

Papan fleksibel dan papan rigid-flex

Papan fleksibel dibuat pada film polimida, bukan pada serat kaca. Papan ini dapat menekuk, dan dapat dilipat sekali agar pas, atau ditekuk berulang kali pada bagian yang bergerak. Kedua penggunaan itu berbeda: tekukan yang dibuat sekali adalah tekukan statis, tekukan berulang adalah tekukan dinamis, dan aturan desainnya (jenis tembaga, radius tekukan, penjaluran jalur) tidak sama. Rigid-flex menggabungkan bagian kaku dan sambungan fleksibel dalam satu kesatuan.

Poin yang perlu diingat:

• Papan fleksibel memerlukan radius tekukan yang tergantung pada ketebalannya; perancang menggunakan kelipatan dari ketebalan total, dengan kelipatan lebih besar untuk lapisan lebih banyak dan untuk penggunaan dinamis.
• Pengaku (material kaku tambahan yang direkatkan di belakang area konektor) ditambahkan di tempat komponen dipasang atau di tempat konektor terhubung.
• Papan fleksibel dan rigid-flex jauh lebih mahal per luas daripada FR-4.
• Papan fleksibel menyerap kelembapan dan harus dikeringkan sebelum perakitan.

1. FR-4: tembaga, inti kaku dari kain kaca dalam resin (garis-garis), tembaga.
2. Inti logam: sirkuit tembaga, lapisan isolasi tipis, lalu dasar logam tebal.
3. Fleksibel: film tipis dengan tembaga di atasnya. Papan ini menekuk, tidak tetap datar.
4. Panas dari komponen pada papan inti logam bergerak turun melalui isolator tipis ke dasar.

Cara memilih

1. Mulailah dengan FR-4. Pilih Tg berdasarkan proses penyolderan dan jumlah lapisan.
2. Pilih inti logam bila panas dari beberapa komponen menjadi masalah, dan keluarkan panas melalui papan.
3. Pilih laminasi frekuensi tinggi bila rugi-rugi atau Dk yang stabil menentukan kinerja, biasanya untuk radio.
4. Pilih papan fleksibel bila produk bergerak atau harus mengikuti bentuk yang tidak dapat diikuti papan kaku.
5. Bila ragu, tanyakan kepada pabrik sebelum merancang papan berdasarkan suatu material.

Bagaimana hal ini muncul saat Anda memesan di sini

Material, ketebalan, dan proses khusus yang ditawarkan tercantum di halaman kemampuan produksi, dan daftar yang berlaku adalah daftar yang dihitung. Pabrik bekerja dengan FR-4, aluminium, tembaga, dan substrat fleksibel, serta dengan material Tg tinggi, bebas halogen, dan frekuensi tinggi. Mana di antaranya yang dapat Anda pesan melalui situs ditetapkan di halaman kemampuan produksi, dan seorang insinyur mengonfirmasi setiap pesanan. Susunan lapisan dan impedansi dibahas di Ketebalan tembaga, susunan lapisan, dan impedansi.