Базовый материал печатной платы — изолирующий слой (диэлектрик), который держит медь. Он решает, сколько тепла плата переживёт, как быстро сигналы идут по ней, насколько хорошо она уводит тепло и гнётся ли она. Большинство плат используют один и тот же материал; другой Вам нужен только по причине.
Что такое ламинат
Жёсткая плата начинается как ламинат: лист изолирующего материала с медной фольгой, приклеенной к одной или обеим сторонам. Изолятор обычно — тканое стекловолокно, пропитанное смолой и отверждённое. Слои многослойной платы держатся вместе препрегом, стеклотканью с частично отверждённой смолой, которая плавится и связывается при ламинировании. Три числа описывают ламинат для большинства целей:
- Медная фольга, приклеенная к грани.
- Смола: отвержденная эпоксидная смола, которая держит всё вместе и изолирует.
- Стеклоткань: овалы — пучки волокна, разрезанные поперёк, волнистая нить идёт вдоль. Она даёт прочность и постоянную толщину.
- Медь на другой грани. Ядро имеет фольгу на обеих сторонах, а рисунок меди травится из неё позже.
- Tg (температура стеклования). Температура, при которой смола превращается из жёсткой в мягкую. Выше Tg плата расширяется намного быстрее и напрягает отверстия и покрытие.
- Dk (диэлектрическая постоянная) и Df (коэффициент рассеяния). Насколько сильно материал влияет на электрические сигналы и сколько энергии сигнала он поглощает. Они важны на высоких частотах и для контролируемого импеданса.
- Теплопроводность. Насколько хорошо тепло течёт через диэлектрик.
FR-4
FR-4 — общее имя для армированного стеклом эпоксидного ламината с огнезащитной добавкой. Он дёшев, прочен, легко обрабатывается и достаточно хорош для большинства электроники. Его Dk обычно около 4 до 4,6, в зависимости от содержания смолы и частоты, и варьируется от партии к партии и между производителями, поэтому проектировщик, которому нужно точное значение, спрашивает его из структуры слоёв.
FR-4 бывает марок, в основном по Tg:
| Марка | Типичное Tg | Применение |
|---|---|---|
| Стандартная | около 130 до 140 °C | Простые платы, один или два цикла пайки |
| Среднее Tg | около 150 °C | Бессвинцовая пайка, больше слоёв |
| Высокое Tg | 170 °C и выше | Много слоёв, толстые платы, повторное оплавление, более высокая рабочая температура |
Бессвинцовый припой плавится при более высокой температуре, чем оловянно-свинцовый припой, а плата проходит через печь при более высокой температуре, иногда дважды. Платы со многими слоями, толстые платы и платы, которые будут переделываться, выигрывают от более высокого Tg. Родственная цифра, Td (температура разложения), говорит, когда смола начинает терять массу, и является ещё одной причиной выбрать лучшую марку для тяжёлой службы.
Выше своего Tg смола размягчается, а плата расширяется намного быстрее. Рисунок сравнивает две марки.
- Tg более низкой марки: выше этой температуры плата растёт намного быстрее.
- Tg более высокой марки: плата остаётся жёсткой до более высокой температуры.
Продаются и другие варианты FR-4: безгалогенные версии для рынков, которые их просят, и марки с лучшей стойкостью к проводящим анодным нитям (медленный отказ внутри платы). Спрашивайте их, когда Ваш продукт в них нуждается.
Платы с металлическим ядром (алюминий и медь)
Плата с металлическим ядром связывает тонкий слой медной цепи, через тонкий изолирующий слой, с металлическим основанием, обычно алюминием, а иногда медью. Смысл — тепло: изолирующий слой сделан так, чтобы проводить тепло намного лучше, чем FR-4, а металл его распределяет. Типичные пользователи — светодиодное освещение и преобразование мощности.
Что нужно знать:
- Большинство односторонние; двусторонние и многослойные версии существуют и стоят дороже.
- Теплопроводность диэлектрического слоя широко варьируется между марками, поэтому цифру на документации стоит спросить.
- Алюминий расширяется иначе, чем детали на нём, что может напрягать большие керамические детали и паяные соединения при температурных циклах.
- Сверловка и фрезеровка металлической платы медленнее, а плата тяжелее. Спрашивайте об ограничениях.
Высокочастотные ламинаты (Rogers, PTFE и другие)
На радио- и микроволновых частотах стандартный FR-4 теряет слишком много сигнала, а его Dk слишком сильно варьируется. Специальные ламинаты имеют более низкие и более постоянные Dk и намного более низкий Df. Они делятся на две группы: на основе PTFE (типа тефлона) и керамико-наполненные углеводороды или подобные материалы. Rogers Corporation — известный производитель; другие производители продают эквиваленты. Значения Dk от около 2 до 10 по семействам, поэтому выбор следует из проекта.
Практические пункты:
- Они дороже за площадь, чем FR-4.
- Им может потребоваться специальная обработка, так как PTFE мягкий и скользкий.
- Многие проекты используют гибрид: тонкий высокочастотный слой для радиочасти и FR-4 для остального, что снижает стоимость, но нуждается в структуре слоёв, которая работает для завода.
- Спросите завод, какие марки и толщины он может поставить, прежде чем проектировать плату вокруг одной.
Вам редко нужны они ниже 1 ГГц. Между 1 и несколькими гигагерцами тщательный проект на FR-4 работает для многих продуктов; выше этого или когда потери важны, лучший ламинат становится здравым выбором.
Гибкие и жёстко-гибкие платы
Гибкая плата делается на полиимидной плёнке, а не на стекловолокне. Она гнётся и может быть сложена один раз для подгонки или гнуться снова и снова в движущейся части. Два применения различны: изгиб, сделанный один раз, — статический изгиб, повторный изгиб — динамический изгиб, и правила проектирования (тип меди, радиус изгиба, трассировка дорожек) не одинаковы. Жёстко-гибкие сочетают жёсткие секции и гибкие соединения в одном куске.
Пункты для запоминания:
- Flex нуждается в радиусе изгиба, который зависит от его толщины; проектировщики используют кратное общей толщине, с большими кратными для большего числа слоёв и для динамического использования.
- Усилители (дополнительный жёсткий материал, приклеенный за областями разъёмов) добавляются там, где монтируются детали или где вставляется разъём.
- Flex и жёстко-гибкие стоят намного дороже за площадь, чем FR-4.
- Flex поглощает влагу и должен сушиться до монтажа.
- FR-4: медь, жёсткое ядро из стеклоткани в смоле (полосы), медь.
- Металлическое ядро: медная цепь, тонкий изолирующий слой, затем толстое металлическое основание.
- Flex: тонкая плёнка с медью на ней. Она гнётся вместо того, чтобы оставаться плоской.
- Тепло от детали на плате с металлическим ядром идёт вниз через тонкий изолятор в основание.
Как выбирать
- Начните с FR-4. Выберите Tg из процесса пайки и числа слоёв.
- Выберите металлическое ядро, когда тепло от нескольких деталей — проблема, и выведите тепло через плату.
- Выберите высокочастотный ламинат, когда потери или стабильный Dk задают производительность, обычно для радио.
- Выберите flex, когда продукт движется или должен подходить к форме, к которой жёсткая плата не может.
- Когда сомневаетесь, спросите завод до проектирования платы вокруг материала.
Как это выглядит при заказе здесь
Предлагаемые материалы, толщины и специальные процессы перечислены на странице производственных возможностей, и действующий список — список, который считается. Завод работает с FR-4, алюминием, медью и гибкими подложками и с материалами с высоким Tg, безгалогенными и высокочастотными. Какие из них Вы можете заказать через сайт, установлено на странице возможностей, а инженер подтверждает каждый заказ. Структуры слоёв и импеданс покрыты в статье Толщина меди, структуры слоёв и импеданс.