วัสดุฐานของแผงวงจรพิมพ์ (PCB) คือชั้นฉนวน (ไดอิเล็กทริก) ที่ยึดทองแดงไว้ ชั้นนี้กำหนดว่าบอร์ดทนความร้อนได้มากเพียงใด สัญญาณเดินทางไปตามบอร์ดได้เร็วเพียงใด บอร์ดนำความร้อนออกได้ดีเพียงใด และบอร์ดงอได้หรือไม่ บอร์ดส่วนใหญ่ใช้วัสดุเดียวกัน คุณต้องการวัสดุอื่นก็ต่อเมื่อมีเหตุผลเท่านั้น
ลามิเนตคืออะไร
บอร์ดแข็งเริ่มต้นจากลามิเนต คือแผ่นวัสดุฉนวนที่มีฟอยล์ทองแดงติดอยู่ที่ด้านใดด้านหนึ่งหรือทั้งสองด้าน ฉนวนมักเป็นเส้นใยแก้วทอที่แช่เรซินแล้วทำให้แข็งตัว ชั้นต่าง ๆ ของบอร์ดหลายชั้นยึดติดกันด้วยพรีเพรก คือผ้าแก้วที่มีเรซินที่แข็งตัวบางส่วน ซึ่งจะหลอมและยึดติดระหว่างการเคลือบชั้น ตัวเลขสามค่าอธิบายลามิเนตสำหรับวัตถุประสงค์ส่วนใหญ่:
- ฟอยล์ทองแดง ติดอยู่ที่หน้า
- เรซิน: อีพ็อกซีที่แข็งตัวแล้วซึ่งยึดทุกอย่างไว้ด้วยกันและเป็นฉนวน
- ผ้าแก้ว: วงรีคือมัดเส้นใยที่ถูกตัดขวาง เส้นหยักวิ่งไปตามยาว ผ้านี้ให้ความแข็งแรงและความหนาที่คงที่
- ทองแดงที่อีกหน้า แกนมีฟอยล์ที่ทั้งสองด้าน และลายทองแดงจะถูกกัดออกจากแกนในภายหลัง
- Tg (อุณหภูมิเปลี่ยนสถานะแก้ว) อุณหภูมิที่เรซินเปลี่ยนจากแข็งเป็นอ่อน เหนือ Tg บอร์ดจะขยายตัวเร็วกว่ามาก และทำให้รูและการชุบเกิดความเค้น
- Dk (ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก) และ Df (แฟกเตอร์การสูญเสีย) วัสดุส่งผลต่อสัญญาณไฟฟ้ามากเพียงใด และดูดซับพลังงานสัญญาณมากเพียงใด ทั้งสองค่านี้สำคัญที่ความถี่สูงและสำหรับการควบคุมอิมพีแดนซ์
- การนำความร้อน ความร้อนไหลผ่านไดอิเล็กทริกได้ดีเพียงใด
FR-4
FR-4 เป็นชื่อทั่วไปของลามิเนตอีพ็อกซีเสริมเส้นใยแก้วที่มีสารหน่วงไฟ วัสดุนี้ราคาถูก แข็งแรง แปรรูปง่าย และดีพอสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่ ค่า Dk โดยทั่วไปประมาณ 4 ถึง 4.6 ขึ้นอยู่กับปริมาณเรซินและความถี่ และแตกต่างกันไปในแต่ละล็อตและระหว่างผู้ผลิต ดังนั้นนักออกแบบที่ต้องการค่าที่แม่นยำจะขอค่านั้นจากการเรียงชั้น
FR-4 มีหลายเกรด โดยหลักแบ่งตาม Tg:
| เกรด | Tg ทั่วไป | การใช้งาน |
|---|---|---|
| มาตรฐาน | ประมาณ 130 ถึง 140 °C | บอร์ดเรียบง่าย ผ่านการบัดกรีหนึ่งหรือสองรอบ |
| Tg ปานกลาง | ประมาณ 150 °C | การบัดกรีไร้ตะกั่ว จำนวนชั้นมากขึ้น |
| Tg สูง | 170 °C ขึ้นไป | หลายชั้น บอร์ดหนา การรีโฟลว์ซ้ำ อุณหภูมิใช้งานสูงขึ้น |
ตะกั่วบัดกรีไร้ตะกั่วหลอมที่อุณหภูมิสูงกว่าตะกั่วบัดกรีดีบุก-ตะกั่ว และบอร์ดผ่านเตาอบที่อุณหภูมิสูงกว่านั้น บางครั้งสองครั้ง บอร์ดที่มีหลายชั้น บอร์ดหนา และบอร์ดที่จะนำไปแก้ไขจะได้ประโยชน์จาก Tg ที่สูงกว่า ตัวเลขที่เกี่ยวข้องคือ Td (อุณหภูมิสลายตัว) ซึ่งบอกว่าเรซินเริ่มสูญเสียมวลเมื่อใด และเป็นอีกเหตุผลในการเลือกเกรดที่ดีกว่าสำหรับการใช้งานหนัก
เหนือ Tg เรซินจะอ่อนตัวและบอร์ดขยายตัวเร็วกว่ามาก ภาพวาดเปรียบเทียบสองเกรด
- Tg ของเกรดที่ต่ำกว่า: เหนืออุณหภูมินี้บอร์ดขยายตัวเร็วกว่ามาก
- Tg ของเกรดที่สูงกว่า: บอร์ดยังคงแข็งจนถึงอุณหภูมิที่สูงกว่า
FR-4 รุ่นอื่นก็มีจำหน่ายเช่นกัน คือรุ่นไร้ฮาโลเจนสำหรับตลาดที่ต้องการ และเกรดที่ต้านทานเส้นใยแอโนดิกนำไฟฟ้าได้ดีกว่า (ความเสียหายช้าภายในบอร์ด) โปรดขอรุ่นเหล่านี้เมื่อผลิตภัณฑ์ของคุณต้องการครับ
บอร์ดแกนโลหะ (อะลูมิเนียมและทองแดง)
บอร์ดแกนโลหะยึดชั้นวงจรทองแดงบาง ๆ ผ่านชั้นฉนวนบาง ๆ เข้ากับฐานโลหะ ซึ่งมักเป็นอะลูมิเนียมและบางครั้งเป็นทองแดง ประเด็นคือความร้อน ชั้นฉนวนถูกทำให้ นำความร้อนได้ดีกว่า FR-4 มาก และโลหะกระจายความร้อนออกไป ผู้ใช้ทั่วไปคือไฟ LED และการแปลงพลังงาน
สิ่งที่ควรรู้:
- ส่วนใหญ่เป็นด้านเดียว รุ่นสองด้านและหลายชั้นก็มีและมีราคาสูงกว่า
- การนำความร้อนของชั้นไดอิเล็กทริกแตกต่างกันมากระหว่างเกรด ดังนั้นตัวเลขบนเอกสารข้อมูลจึงควรสอบถาม
- อะลูมิเนียมขยายตัวต่างจากชิ้นส่วนบนบอร์ด ซึ่งอาจทำให้ชิ้นส่วนเซรามิกขนาดใหญ่และจุดบัดกรีเกิดความเค้นในระหว่างวงจรอุณหภูมิ
- การเจาะและการตัดบอร์ดโลหะช้ากว่าและบอร์ดหนักกว่า โปรดสอบถามเกี่ยวกับขีดจำกัดครับ
ลามิเนตความถี่สูง (Rogers, PTFE และอื่น ๆ)
ที่ความถี่วิทยุและไมโครเวฟ FR-4 มาตรฐานสูญเสียสัญญาณมากเกินไป และค่า Dk ของมันเปลี่ยนแปลงมากเกินไป ลามิเนตพิเศษมีค่า Dk ต่ำกว่าและคงที่กว่า และค่า Df ต่ำกว่ามาก ลามิเนตเหล่านี้แบ่งเป็นสองกลุ่ม คือกลุ่มฐาน PTFE (ชนิด Teflon) และไฮโดรคาร์บอนที่เติมเซรามิกหรือวัสดุที่คล้ายกัน Rogers Corporation เป็นผู้ผลิตที่เป็นที่รู้จักกันดี ผู้ผลิตรายอื่นขายผลิตภัณฑ์ที่เทียบเท่า ค่า Dk อยู่ในช่วงประมาณ 2 ถึง 10 ในทุกกลุ่มวัสดุ ดังนั้นตัวเลือกจึงเป็นไปตามการออกแบบ
ประเด็นในทางปฏิบัติ:
- วัสดุเหล่านี้มีราคาต่อพื้นที่สูงกว่า FR-4
- วัสดุเหล่านี้อาจต้องการการแปรรูปพิเศษ เนื่องจาก PTFE อ่อนและลื่น
- การออกแบบจำนวนมากใช้แบบผสม คือชั้นความถี่สูงบาง ๆ สำหรับส่วนวิทยุและ FR-4 สำหรับส่วนที่เหลือ ซึ่งช่วยลดต้นทุนแต่ต้องการการเรียงชั้นที่โรงงานผลิตได้
- โปรดสอบถามโรงงานว่าสามารถจัดหายี่ห้อและความหนาใดได้บ้าง ก่อนที่คุณจะออกแบบบอร์ดโดยยึดวัสดุใดวัสดุหนึ่งครับ
คุณแทบไม่ต้องการวัสดุเหล่านี้ที่ต่ำกว่า 1 GHz ระหว่าง 1 ถึงไม่กี่กิกะเฮิรตซ์ การออกแบบ FR-4 อย่างระมัดระวังใช้ได้กับหลายผลิตภัณฑ์ เหนือช่วงนั้น หรือเมื่อการสูญเสียมีความสำคัญ ลามิเนตที่ดีกว่าจะกลายเป็นตัวเลือกที่เหมาะสม
บอร์ดแบบยืดหยุ่นและแบบ rigid-flex
บอร์ดแบบยืดหยุ่นทำบนฟิล์มโพลิอิไมด์ ไม่ใช่บนเส้นใยแก้ว บอร์ดนี้งอได้ และสามารถพับครั้งเดียวให้เข้าที่ หรือดัดซ้ำ ๆ ในชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวได้ การใช้งานทั้งสองแบบแตกต่างกัน การดัดครั้งเดียวคือการดัดแบบสถิต การดัดซ้ำคือการดัดแบบพลวัต และกฎการออกแบบ (ชนิดของทองแดง รัศมีการดัด การเดินลายวงจร) ไม่เหมือนกัน Rigid-flex รวมส่วนที่แข็งและส่วนเชื่อมต่อที่ยืดหยุ่นไว้ในชิ้นเดียว
ประเด็นที่ควรจำ:
- บอร์ดแบบยืดหยุ่นต้องการรัศมีการดัดที่ขึ้นอยู่กับความหนา นักออกแบบใช้ค่าพหุคูณของความหนารวม โดยมีพหุคูณมากขึ้นสำหรับจำนวนชั้นที่มากขึ้นและสำหรับการใช้งานแบบพลวัต
- แผ่นเสริมแข็ง (วัสดุแข็งเพิ่มเติมที่ติดไว้ด้านหลังบริเวณขั้วต่อ) จะถูกเพิ่มในบริเวณที่ติดตั้งชิ้นส่วนหรือที่ขั้วต่อเสียบเข้า
- บอร์ดแบบยืดหยุ่นและแบบ rigid-flex มีราคาต่อพื้นที่สูงกว่า FR-4 มาก
- บอร์ดแบบยืดหยุ่นดูดซับความชื้นและควรทำให้แห้งก่อนการประกอบ
- FR-4: ทองแดง แกนแข็งของผ้าแก้วในเรซิน (ลายเส้น) ทองแดง
- แกนโลหะ: วงจรทองแดง ชั้นฉนวนบาง จากนั้นฐานโลหะหนา
- แบบยืดหยุ่น: ฟิล์มบางที่มีทองแดงอยู่บนนั้น บอร์ดนี้งอแทนที่จะคงที่แบน
- ความร้อน จากชิ้นส่วนบนบอร์ดแกนโลหะเคลื่อนลงผ่านฉนวนบางเข้าสู่ฐาน
วิธีเลือก
- เริ่มต้นด้วย FR-4 เลือก Tg จากกระบวนการบัดกรีและจำนวนชั้น
- เลือกแกนโลหะเมื่อความร้อนจากชิ้นส่วนไม่กี่ชิ้นเป็นปัญหา และนำความร้อนออกผ่านบอร์ด
- เลือกลามิเนตความถี่สูงเมื่อการสูญเสียหรือค่า Dk ที่คงที่กำหนดประสิทธิภาพ โดยทั่วไปสำหรับวิทยุ
- เลือกแบบยืดหยุ่นเมื่อผลิตภัณฑ์เคลื่อนไหวหรือต้องเข้ากับรูปทรงที่บอร์ดแข็งทำไม่ได้
- เมื่อไม่แน่ใจ โปรดสอบถามโรงงานก่อนออกแบบบอร์ดโดยยึดวัสดุใดวัสดุหนึ่งครับ
สิ่งนี้แสดงอย่างไรเมื่อคุณสั่งซื้อที่นี่
วัสดุ ความหนา และกระบวนการพิเศษที่เสนอมีรายการอยู่บน หน้าความสามารถในการผลิต และรายการที่มีผลบังคับใช้คือรายการที่นับ โรงงานใช้ FR-4 อะลูมิเนียม ทองแดง และวัสดุฐานแบบยืดหยุ่น และใช้วัสดุ Tg สูง ไร้ฮาโลเจน และความถี่สูง วัสดุใดในกลุ่มนี้ที่คุณสามารถสั่งซื้อผ่านเว็บไซต์ได้กำหนดไว้บนหน้าความสามารถในการผลิต และวิศวกรยืนยันทุกคำสั่งซื้อ การเรียงชั้นและอิมพีแดนซ์อธิบายไว้ใน ความหนาทองแดง การเรียงชั้น และอิมพีแดนซ์