Het basismateriaal van een printplaat (PCB) is de isolerende laag (het diëlektricum) die het koper vasthoudt. Het beslist hoeveel warmte de print overleeft, hoe snel signalen erlangs reizen, hoe goed het warmte wegvoert en of het buigt. De meeste printen gebruiken hetzelfde materiaal; u heeft alleen om een reden een ander nodig.
Wat een laminaat is
Een stijve print begint als een laminaat: een plaat isolerend materiaal met koperfolie aan een of beide zijden gebonden. De isolator is meestal geweven glasvezel gedrenkt in hars en uitgehard. Lagen van een meerlaags print worden bij elkaar gehouden door prepreg, glasweefsel met deels uitgehard hars dat tijdens laminering smelt en bindt. Drie getallen beschrijven een laminaat voor de meeste doeleinden:
- Koperfolie, aan het vlak gebonden.
- Hars: het uitgeharde epoxy dat alles bij elkaar houdt en isoleert.
- Glasweefsel: de ovalen zijn dwars doorgesneden vezelbundels, de golvende streng loopt langs. Het geeft sterkte en een gelijkmatige dikte.
- Koper aan de andere zijde. Een kern heeft folie aan beide zijden en het koperpatroon wordt er later uit geëtst.
- Tg (glasovergangstemperatuur). De temperatuur waarbij het hars van stijf naar zacht overgaat. Boven Tg zet de print veel sneller uit en belast gaten en platering.
- Dk (diëlektrische constante) en Df (dissipatiefactor). Hoe sterk het materiaal elektrische signalen beïnvloedt en hoeveel signaalenergie het absorbeert. Zij tellen bij hoge frequenties en voor impedantiecontrole.
- Thermische geleidbaarheid. Hoe goed warmte door het diëlektricum stroomt.
FR-4
FR-4 is de gangbare naam voor glasversterkt epoxylaminaat met een vlamvertragend additief. Het is goedkoop, sterk, gemakkelijk te verwerken en goed genoeg voor de meeste elektronica. De Dk is typisch ongeveer 4 tot 4,6, afhankelijk van het harsgehalte en de frequentie, en varieert van batch tot batch en tussen makers, dus een ontwerper die een precieze waarde nodig heeft, vraagt deze uit de laagopbouw.
FR-4 bestaat in graden, voornamelijk op Tg:
| Graad | Typische Tg | Gebruik |
|---|---|---|
| Standaard | ongeveer 130 tot 140 °C | Eenvoudige printen, een of twee soldeercycli |
| Mid Tg | ongeveer 150 °C | Loodvrij solderen, meer lagen |
| High Tg | 170 °C en daarboven | Veel lagen, dikke printen, herhaalde reflow, hogere bedrijfstemperatuur |
Loodvrij soldeer smelt bij hogere temperatuur dan tin-loodsoldeer en de print gaat bij de hogere temperatuur door de oven, soms tweemaal. Printen met veel lagen, dikke printen en printen die worden herwerkt, profiteren van een hogere Tg. Een verwant cijfer, Td (ontledingstemperatuur), vertelt wanneer het hars massa begint te verliezen en is een andere reden om een betere graad te kiezen voor zware dienst.
Boven de Tg wordt het hars zacht en zet de print veel sneller uit. De tekening vergelijkt twee graden.
- De Tg van een lagere graad: boven deze temperatuur groeit de print veel sneller.
- De Tg van een hogere graad: de print blijft stijf tot een hogere temperatuur.
Andere FR-4-varianten worden verkocht: halogeenvrije versies voor markten die erom vragen en graden met betere weerstand tegen geleidende anodische filamenten (een trage uitval in de print). Vraag erom als uw product ze nodig heeft.
Printen met metalen kern (aluminium en koper)
Een print met metalen kern bindt een dunne koperschakellaag, via een dunne isolerende laag, aan een metalen basis, meestal aluminium en soms koper. Het punt is warmte: de isolerende laag is gemaakt om warmte veel beter te geleiden dan FR-4 en het metaal verspreidt deze. Typische gebruikers zijn ledverlichting en vermogensconversie.
Dingen om te weten:
- De meeste zijn enkelzijdig; dubbelzijdige en meerlaags versies bestaan en kosten meer.
- De thermische geleidbaarheid van de diëlektrische laag varieert sterk tussen graden, dus het cijfer op het datablad is het vragen waard.
- Aluminium zet anders uit dan de componenten erop, wat grote keramische componenten en soldeerverbindingen onder temperatuurcycli kan belasten.
- Boren en frezen van een metalen print is langzamer en de print is zwaarder. Vraag naar de grenswaarden.
Hoogfrequente laminaten (Rogers, PTFE en andere)
Bij radio- en microgolffrequenties verliest standaard FR-4 te veel signaal en varieert de Dk te veel. Speciale laminaten hebben lagere en gelijkmatigere Dk en veel lagere Df. Zij vallen in twee groepen: op PTFE gebaseerd (Teflon-type) en keramisch gevulde koolwaterstof- of soortgelijke materialen. Rogers Corporation is een bekende maker; andere makers verkopen equivalenten. Dk-waarden variëren van ongeveer 2 tot 10 over de families, dus de keuze volgt het ontwerp.
Praktische punten:
- Zij zijn per oppervlakte duurder dan FR-4.
- Zij hebben mogelijk speciale verwerking nodig, omdat PTFE zacht en glad is.
- Veel ontwerpen gebruiken een hybride: een dunne hoogfrequente laag voor het radiodeel en FR-4 voor de rest, wat de kosten verlaagt maar een laagopbouw nodig heeft die voor de fabriek werkt.
- Vraag de fabriek welke merken en diktes zij kan leveren voordat u de print eromheen ontwerpt.
U heeft deze zelden nodig onder 1 GHz. Tussen 1 en enkele gigahertz werkt zorgvuldig FR-4-ontwerp voor veel producten; daarboven, of als verliezen tellen, wordt een beter laminaat de verstandige keuze.
Flexibele en stijf-flexibele printen
Een flexibele print wordt gemaakt op polyimidefilm, niet op glasvezel. Hij buigt en kan eenmaal worden gevouwen om te passen, of steeds opnieuw worden gebogen in een bewegend deel. De twee toepassingen zijn verschillend: een eenmaal gemaakte buiging is een statische buiging, herhaald buigen is een dynamische buiging en de ontwerpregels (kopertype, buigradius, spoorrouting) zijn niet dezelfde. Stijf-flexibel combineert stijve secties en flexibele verbindingen in een stuk.
Punten om te onthouden:
- Flex heeft een buigradius nodig die afhangt van de dikte; ontwerpers gebruiken een veelvoud van de totale dikte, met grotere veelvouden voor meer lagen en voor dynamisch gebruik.
- Verstevigers (extra stijf materiaal gebonden achter connectorgebieden) worden toegevoegd waar componenten worden gemonteerd of waar een connector insteekt.
- Flex en stijf-flexibel kosten per oppervlakte veel meer dan FR-4.
- Flex absorbeert vocht en moet voor assemblage worden gedroogd.
- FR-4: koper, een stijve kern van glasweefsel in hars (de strepen), koper.
- Metalen kern: een koperschakeling, een dunne isolerende laag, daarna een dikke metalen basis.
- Flex: een dunne film met koper erop. Hij buigt in plaats van vlak te blijven.
- Warmte van een component op een print met metalen kern gaat omlaag door de dunne isolator in de basis.
Hoe u kiest
- Begin met FR-4. Kies de Tg uit het soldeerproces en het aantal lagen.
- Kies een metalen kern als de warmte van enkele componenten het probleem is en voer de warmte via de print naar buiten.
- Kies een hoogfrequent laminaat als verliezen of een stabiele Dk de prestatie bepalen, meestal voor radio.
- Kies flex als het product beweegt of in een vorm moet passen die een stijve print niet kan.
- Vraag bij twijfel de fabriek voordat u de print om een materiaal heen ontwerpt.
Hoe dit eruitziet als u hier bestelt
De aangeboden materialen, diktes en speciale processen staan op de pagina met productiemogelijkheden en de geldende lijst is de lijst die telt. De fabriek werkt met FR-4, aluminium, koper en flexibele substraten en met materialen met hoge Tg, halogeenvrije en hoogfrequente materialen. Welke hiervan u via de site kunt bestellen, staat op de pagina met productiemogelijkheden en een ingenieur bevestigt elke bestelling. Laagopbouwen en impedantie worden behandeld in Koperdikte, laagopbouw en impedantie.