Basismaterialet i ett mönsterkort (PCB) är det isolerande lagret (dielektriket) som håller kopparn. Det avgör hur mycket värme kortet klarar, hur snabbt signaler färdas längs det, hur bra det leder bort värme och om det böjer sig. De flesta kort använder samma material; du behöver ett annat bara av en anledning.
Vad ett laminat är
Ett styvt kort börjar som ett laminat: ett ark isolerande material med kopparfolie bunden på en eller båda sidor. Isolatorn är vanligen vävd glasfiber indränkt i harts och härdad. Lager i ett flerskiktskort hålls ihop av prepreg, glasduk med delvis härdad harts som smälter och binder under laminering. Tre tal beskriver ett laminat för de flesta ändamål:
- Kopparfolie, bunden till ytan.
- Harts: det härdade epoxiet som håller ihop allt och isolerar.
- Glasduk: ovalerna är fiberbuntar skurna tvärs, den vågiga strängen löper längs. Den ger styrka och jämn tjocklek.
- Koppar på andra ytan. En kärna har folie på båda sidor, och kopparmönstret etsas från det senare.
- Tg (glasövergångstemperatur). Temperaturen där hartset går från styvt till mjukt. Över Tg expanderar kortet mycket snabbare och belastar hål och plätering.
- Dk (dielektrisk konstant) och Df (förlustfaktor). Hur starkt materialet påverkar elektriska signaler och hur mycket signalenergi det absorberar. De spelar roll vid höga frekvenser och för impedanskontroll.
- Värmeledningsförmåga. Hur bra värme flödar genom dielektriket.
FR-4
FR-4 är det vanliga namnet för glasförstärkt epoxilaminat med flamskyddstillsats. Det är billigt, starkt, lätt att bearbeta och bra nog för den mesta elektroniken. Dess Dk är typiskt cirka 4 till 4,6, beroende på hartsinnehåll och frekvens, och varierar från batch till batch och mellan tillverkare, så en designer som behöver ett exakt värde ber om det från lageruppbyggnaden.
FR-4 finns i klasser, främst efter Tg:
| Klass | Typisk Tg | Användning |
|---|---|---|
| Standard | cirka 130 till 140 °C | Enkla kort, en eller två lödcykler |
| Mid Tg | cirka 150 °C | Blyfri lödning, fler lager |
| High Tg | 170 °C och över | Många lager, tjocka kort, upprepad reflow, högre driftstemperatur |
Blyfritt lod smälter vid högre temperatur än tenn-bly-lod, och kortet går genom ugnen vid den högre temperaturen, ibland två gånger. Kort med många lager, tjocka kort och kort som kommer att omarbetas drar nytta av högre Tg. En besläktad siffra, Td (sönderfallstemperatur), talar om när hartset börjar förlora massa, och är en annan anledning att välja en bättre klass för hård tjänst.
Över sin Tg mjuknar hartset och kortet expanderar mycket snabbare. Ritningen jämför två klasser.
- Tg för en lägre klass: över denna temperatur växer kortet mycket snabbare.
- Tg för en högre klass: kortet förblir styvt upp till högre temperatur.
Andra FR-4-varianter säljs: halogenfria versioner för marknader som ber om dem, och klasser med bättre motstånd mot ledande anodfilament (ett långsamt fel inuti kortet). Be om dem när din produkt behöver dem.
Kort med metallkärna (aluminium och koppar)
Ett kort med metallkärna binder ett tunt kopparkretslager, genom ett tunt isolerande lager, till en metallbas, vanligen aluminium och ibland koppar. Poängen är värme: det isolerande lagret är gjort för att leda värme långt bättre än FR-4, och metallen sprider den. Typiska användare är LED-belysning och kraftomvandling.
Saker att veta:
- De flesta är enkelsidiga; dubbelsidiga och flerskiktsversioner finns och kostar mer.
- Dielektrikets värmeledningsförmåga varierar brett mellan klasser, så siffran på databladet är värd att fråga efter.
- Aluminium expanderar annorlunda än komponenterna på det, vilket kan belasta stora keramiska komponenter och lödfogar under temperaturcykler.
- Borrning och fräsning av ett metallkort är långsammare och kortet är tyngre. Fråga om gränsvärdena.
Högfrekvenslaminat (Rogers, PTFE och andra)
Vid radio- och mikrovågsfrekvenser förlorar standard FR-4 för mycket signal, och dess Dk varierar för mycket. Speciallaminat har lägre och jämnare Dk och mycket lägre Df. De faller i två grupper: PTFE-baserade (Teflon-typ) och keramikfyllda kolväte- eller liknande material. Rogers Corporation är en välkänd tillverkare; andra tillverkare säljer motsvarigheter. Dk-värden sträcker sig från cirka 2 till 10 över familjerna, så valet följer designen.
Praktiska punkter:
- De är dyrare per area än FR-4.
- De kan behöva specialbearbetning, eftersom PTFE är mjukt och halt.
- Många designer använder en hybrid: ett tunt högfrekvenslager för radiodelen och FR-4 för resten, vilket sänker kostnaden men behöver en lageruppbyggnad som fungerar för fabriken.
- Fråga fabriken vilka märken och tjocklekar den kan leverera innan du designar kortet runt ett.
Du behöver sällan dessa under 1 GHz. Mellan 1 och några gigahertz fungerar noggrann FR-4-design för många produkter; över det, eller när förluster spelar roll, blir ett bättre laminat det sunda valet.
Flexibla och styv-flexibla kort
Ett flexibelt kort görs på polyimidfilm, inte på glasfiber. Det böjer sig, och kan vikas en gång för att passa, eller böjas om och om igen i en rörlig del. De två användningarna är olika: en böjning gjord en gång är en statisk böjning, upprepad böjning är en dynamisk böjning, och designreglerna (koppartyp, böjradie, ledarrouting) är inte desamma. Styv-flex kombinerar styva sektioner och flexibla förbindelser i ett stycke.
Punkter att komma ihåg:
- Flex behöver en böjradie som beror på tjockleken; designers använder en multipel av total tjocklek, med större multipler för fler lager och för dynamisk användning.
- Förstyvningar (extra styvt material bundet bakom kontaktområden) läggs till där komponenter monteras eller där en kontakt pluggas in.
- Flex och styv-flex kostar mycket mer per area än FR-4.
- Flex absorberar fukt och ska torkas före bestyckning.
- FR-4: koppar, en styv kärna av glasduk i harts (ränderna), koppar.
- Metallkärna: en kopparkrets, ett tunt isolerande lager, sedan en tjock metallbas.
- Flex: en tunn film med koppar på. Den böjer sig i stället för att förbli platt.
- Värme från en komponent på ett metallkärnekort går ner genom den tunna isolatorn in i basen.
Hur du väljer
- Börja med FR-4. Välj Tg från lödprocessen och lagerantalet.
- Välj metallkärna när värmen från några komponenter är problemet, och för värmen ut genom kortet.
- Välj högfrekvenslaminat när förluster eller stabil Dk sätter prestandan, vanligen för radio.
- Välj flex när produkten rör sig eller måste passa en form ett styvt kort inte kan.
- Vid tvekan, fråga fabriken innan du designar kortet runt ett material.
Hur detta visar sig när du beställer här
Materialen, tjocklekarna och specialprocesserna som erbjuds listas på sidan om tillverkningskapacitet, och gällande lista är listan som räknas. Fabriken arbetar med FR-4, aluminium, koppar och flexibla substrat, och med hög-Tg, halogenfria och högfrekvensmaterial. Vilka av dessa du kan beställa via webbplatsen sätts på sidan om tillverkningskapacitet, och en ingenjör bekräftar varje beställning. Lageruppbyggnader och impedans täcks i Koppartjocklek, lageruppbyggnad och impedans.