Materiał bazowy płytki drukowanej to warstwa izolacyjna (dielektryk), która trzyma miedź. Decyduje o tym, ile ciepła płytka wytrzyma, jak szybko sygnały po niej podróżują, jak dobrze odprowadza ciepło i czy się zgina. Większość płytek używa tego samego materiału; innego potrzebuje Pan/Pani tylko z jakiegoś powodu.
Czym jest laminat
Sztywna płytka zaczyna się jako laminat: arkusz materiału izolacyjnego z folią miedzianą przyklejoną po jednej albo obu stronach. Izolator to zwykle tkanina szklana nasączona żywicą i utwardzona. Warstwy płytki wielowarstwowej trzymane są razem prepregiem, tkaniną szklaną z częściowo utwardzoną żywicą, która topi się i wiąże podczas laminowania. Trzy liczby opisują laminat dla większości celów:
- Folia miedziana przyklejona do powierzchni.
- Żywica: utwardzona żywica epoksydowa, która trzyma wszystko razem i izoluje.
- Tkanina szklana: owale to wiązki włókien cięte w poprzek, faliste pasmo biegnie wzdłuż. Daje wytrzymałość i stałą grubość.
- Miedź po drugiej stronie. Rdzeń ma folię po obu stronach, a wzór miedzi jest z niej później trawiony.
- Tg (temperatura zeszklenia). Temperatura, w której żywica zmienia się ze sztywnej w miękką. Powyżej Tg płytka rozszerza się znacznie szybciej i napręża otwory oraz pokrycie.
- Dk (stała dielektryczna) i Df (współczynnik strat). Jak silnie materiał wpływa na sygnały elektryczne i ile energii sygnału pochłania. Mają znaczenie przy wysokich częstotliwościach i przy kontrolowanej impedancji.
- Przewodność cieplna. Jak dobrze ciepło przepływa przez dielektryk.
FR-4
FR-4 to powszechna nazwa laminatu epoksydowego wzmocnionego szkłem z dodatkiem opóźniającym palenie. Jest tani, wytrzymały, łatwy w obróbce i wystarczająco dobry dla większości elektroniki. Jego Dk wynosi zwykle około 4 do 4,6, zależnie od zawartości żywicy i częstotliwości, i zmienia się między partiami oraz producentami, więc projektant, który potrzebuje dokładnej wartości, prosi o nią z układu warstw.
FR-4 występuje w gatunkach, głównie według Tg:
| Gatunek | Typowe Tg | Zastosowanie |
|---|---|---|
| Standard | około 130 do 140 °C | Proste płytki, jeden albo dwa cykle lutowania |
| Średnie Tg | około 150 °C | Lutowanie bezołowiowe, więcej warstw |
| Wysokie Tg | 170 °C i powyżej | Wiele warstw, grube płytki, wielokrotny rozpływ, wyższa temperatura pracy |
Lut bezołowiowy topi się w wyższej temperaturze niż lut cynowo-ołowiowy, a płytka przechodzi przez piec w wyższej temperaturze, czasem dwukrotnie. Płytki z wieloma warstwami, grube płytki i płytki, które będą przerabiane, korzystają z wyższego Tg. Pokrewna liczba, Td (temperatura rozkładu), mówi, kiedy żywica zaczyna tracić masę, i jest kolejnym powodem, aby wybrać lepszy gatunek do trudnej pracy.
Powyżej swojego Tg żywica mięknie, a płytka rozszerza się znacznie szybciej. Rysunek porównuje dwa gatunki.
- Tg gatunku niższego: powyżej tej temperatury płytka rośnie znacznie szybciej.
- Tg gatunku wyższego: płytka pozostaje sztywna do wyższej temperatury.
Sprzedawane są też inne warianty FR-4: wersje bezhalogenowe dla rynków, które ich wymagają, oraz gatunki o lepszej odporności na przewodzące włókna anodowe (powolna awaria wewnątrz płytki). Proszę o nie pytać, gdy produkt ich potrzebuje.
Płytki z rdzeniem metalowym (aluminium i miedź)
Płytka z rdzeniem metalowym wiąże cienką warstwę obwodu miedzianego, przez cienką warstwę izolacyjną, z podstawą metalową, zwykle aluminium, a czasem miedzi. Chodzi o ciepło: warstwa izolacyjna jest wykonana tak, aby przewodzić ciepło znacznie lepiej niż FR-4, a metal je rozprowadza. Typowymi użytkownikami są oświetlenie LED i przetwarzanie mocy.
Rzeczy, które warto wiedzieć:
- Większość jest jednostronna; wersje dwustronne i wielowarstwowe istnieją i kosztują więcej.
- Przewodność cieplna warstwy dielektrycznej różni się znacznie między gatunkami, więc warto pytać o liczbę z dokumentacji.
- Aluminium rozszerza się inaczej niż elementy na nim, co może naprężać duże elementy ceramiczne i połączenia lutowane przy cyklach temperaturowych.
- Wiercenie i frezowanie płytki metalowej jest wolniejsze, a płytka jest cięższa. Proszę pytać o limity.
Laminaty wysokiej częstotliwości (Rogers, PTFE i inne)
Przy częstotliwościach radiowych i mikrofalowych standardowy FR-4 traci za dużo sygnału, a jego Dk zmienia się za bardzo. Specjalne laminaty mają niższe i stabilniejsze Dk oraz znacznie niższe Df. Dzielą się na dwie grupy: oparte na PTFE (typu teflon) oraz węglowodory wypełnione ceramicznie albo podobne materiały. Rogers Corporation jest znanym producentem; inni producenci sprzedają odpowiedniki. Wartości Dk wynoszą od około 2 do 10 w różnych rodzinach, więc wybór wynika z projektu.
Punkty praktyczne:
- Są droższe za powierzchnię niż FR-4.
- Mogą wymagać specjalnej obróbki, ponieważ PTFE jest miękki i śliski.
- Wiele projektów używa hybrydy: cienkiej warstwy wysokiej częstotliwości dla części radiowej i FR-4 dla reszty, co obniża koszt, ale wymaga układu warstw, który działa dla fabryki.
- Proszę zapytać fabrykę, które marki i grubości może dostarczyć, zanim Pan/Pani zaprojektuje płytkę wokół którejś z nich.
Rzadko Pan/Pani potrzebuje ich poniżej 1 GHz. Między 1 a kilkoma gigahercami staranny projekt na FR-4 działa przy wielu produktach; powyżej tego albo gdy liczą się straty, lepszy laminat staje się rozsądnym wyborem.
Płytki elastyczne i sztywno-elastyczne
Płytka elastyczna jest wykonana na folii poliimidowej, a nie na włóknie szklanym. Zgina się i może zostać złożona raz dla dopasowania albo zginać się w kółko w części ruchomej. Oba zastosowania są różne: jednorazowe zgięcie to zgięcie statyczne, wielokrotne zginanie to zgięcie dynamiczne, a zasady projektowe (typ miedzi, promień gięcia, prowadzenie ścieżek) nie są takie same. Sztywno-elastyczne łączą odcinki sztywne i połączenia elastyczne w jednym kawałku.
Punkty do zapamiętania:
- Flex potrzebuje promienia gięcia, który zależy od jego grubości; projektanci używają wielokrotności całkowitej grubości, z większymi wielokrotnościami przy większej liczbie warstw i przy użyciu dynamicznym.
- Usztywniacze (dodatkowy sztywny materiał przyklejony za obszarami złączy) dodaje się tam, gdzie montowane są elementy albo gdzie wtyka się złącze.
- Flex i sztywno-elastyczne kosztują znacznie więcej za powierzchnię niż FR-4.
- Flex pochłania wilgoć i powinien zostać wysuszony przed montażem.
- FR-4: miedź, sztywny rdzeń z tkaniny szklanej w żywicy (paski), miedź.
- Rdzeń metalowy: obwód miedziany, cienka warstwa izolacyjna, potem gruba podstawa metalowa.
- Flex: cienka folia z miedzią na niej. Zgina się zamiast pozostać płaska.
- Ciepło z elementu na płytce z rdzeniem metalowym idzie w dół przez cienki izolator do podstawy.
Jak wybierać
- Proszę zacząć od FR-4. Tg proszę wybrać z procesu lutowania i liczby warstw.
- Rdzeń metalowy proszę wybrać, gdy problemem jest ciepło z kilku elementów, i odprowadzić ciepło przez płytkę.
- Laminat wysokiej częstotliwości proszę wybrać, gdy wydajność wyznaczają straty albo stabilne Dk, zwykle przy radiu.
- Flex proszę wybrać, gdy produkt się porusza albo musi pasować do kształtu, do którego sztywna płytka nie może.
- W razie wątpliwości proszę zapytać fabrykę przed zaprojektowaniem płytki wokół materiału.
Jak to wygląda przy zamawianiu tutaj
Materiały, grubości i procesy specjalne, które są oferowane, są wymienione na stronie możliwości produkcyjnych, a lista, która obowiązuje, jest listą, która się liczy. Fabryka pracuje z FR-4, aluminium, miedzią i podłożami elastycznymi oraz z materiałami o wysokim Tg, bezhalogenowymi i wysokiej częstotliwości. To, które z nich Pan/Pani może zamówić przez stronę, jest ustalone na stronie możliwości produkcyjnych, a inżynier potwierdza każde zamówienie. Układy warstw i impedancję omawia artykuł Grubość miedzi, układy warstw i impedancja.