Базовий матеріал друкованої плати — ізолювальний шар (діелектрик), який тримає мідь. Він вирішує, скільки тепла плата переживе, як швидко сигнали йдуть по ній, наскільки добре вона відводить тепло та чи гнеться вона. Більшість плат використовують той самий матеріал; інший Вам потрібен лише з причини.
Що таке ламінат
Жорстка плата починається як ламінат: аркуш ізолювального матеріалу з мідною фольгою, приклеєною до одного або обох боків. Ізолятор зазвичай — ткане скловолокно, просочене смолою та затверділе. Шари багатошарової плати тримаються разом препрегом, склотканиною з частково затверділою смолою, яка плавиться та зв’язується під час ламінування. Три числа описують ламінат для більшості цілей:
- Мідна фольга, приклеєна до грані.
- Смола: затверділа епоксидна смола, яка тримає все разом і ізолює.
- Склотканина: овали — пучки волокна, розрізані впоперек, хвиляста нитка йде вздовж. Вона дає міцність і постійну товщину.
- Мідь на іншій грані. Ядро має фольгу на обох боках, а малюнок міді травиться з неї пізніше.
- Tg (температура склування). Температура, за якої смола перетворюється з жорсткої на м’яку. Вище Tg плата розширюється набагато швидше та напружує отвори й покриття.
- Dk (діелектрична стала) та Df (коефіцієнт розсіювання). Наскільки сильно матеріал впливає на електричні сигнали та скільки енергії сигналу він поглинає. Вони важливі на високих частотах і для контрольованого імпедансу.
- Теплопровідність. Наскільки добре тепло тече через діелектрик.
FR-4
FR-4 — спільне ім’я для армованого склом епоксидного ламінату з вогнезахисною добавкою. Він дешевий, міцний, легко обробляється та достатньо гарний для більшості електроніки. Його Dk зазвичай близько 4 до 4,6, залежно від умісту смоли та частоти, і варіюється від партії до партії та між виробниками, тому проєктант, якому треба точне значення, запитує його зі структури шарів.
FR-4 буває марок, переважно за Tg:
| Марка | Типове Tg | Застосування |
|---|---|---|
| Стандартна | близько 130 до 140 °C | Прості плати, один або два цикли паяння |
| Середнє Tg | близько 150 °C | Безсвинцеве паяння, більше шарів |
| Високе Tg | 170 °C і вище | Багато шарів, товсті плати, повторне оплавлення, вища робоча температура |
Безсвинцевий припій плавиться за вищої температури, ніж олов’яно-свинцевий припій, а плата проходить через піч за вищої температури, іноді двічі. Плати з багатьма шарами, товсті плати та плати, які перероблюватимуть, виграють від вищого Tg. Споріднена цифра, Td (температура розкладання), каже, коли смола починає втрачати масу, і є ще однією причиною вибрати кращу марку для важкої служби.
Вище свого Tg смола розм’якшується, а плата розширюється набагато швидше. Малюнок порівнює дві марки.
- Tg нижчої марки: вище цієї температури плата росте набагато швидше.
- Tg вищої марки: плата залишається жорсткою до вищої температури.
Продаються й інші варіанти FR-4: безгалогенні версії для ринків, які їх просять, і марки з кращою стійкістю до провідних анодних ниток (повільна відмова всередині плати). Питайте їх, коли Ваш продукт їх потребує.
Плати з металевим ядром (алюміній і мідь)
Плата з металевим ядром пов’язує тонкий шар мідного кола, через тонкий ізолювальний шар, із металевою основою, зазвичай алюмінієм, а іноді міддю. Сенс — тепло: ізолювальний шар зроблено так, щоб проводити тепло набагато краще, ніж FR-4, а метал його розподіляє. Типові користувачі — світлодіодне освітлення та перетворення потужності.
Що треба знати:
- Більшість однобічні; двобічні та багатошарові версії існують і коштують дорожче.
- Теплопровідність діелектричного шару широко варіюється між марками, тому цифру на документації варто запитати.
- Алюміній розширюється інакше, ніж деталі на ньому, що може напружувати великі керамічні деталі та паяні з’єднання за температурних циклів.
- Свердління та фрезерування металевої плати повільніше, а плата важча. Питайте про обмеження.
Високочастотні ламінати (Rogers, PTFE та інші)
На радіо- та мікрохвильових частотах стандартний FR-4 втрачає надто багато сигналу, а його Dk надто сильно варіюється. Спеціальні ламінати мають нижчі та постійніші Dk і набагато нижчий Df. Вони поділяються на дві групи: на основі PTFE (типу тефлону) та кераміко-наповнені вуглеводні або подібні матеріали. Rogers Corporation — відомий виробник; інші виробники продають еквіваленти. Значення Dk від близько 2 до 10 за родинами, тому вибір слідує з проєкту.
Практичні пункти:
- Вони дорожчі за площу, ніж FR-4.
- Їм може знадобитися спеціальне оброблення, оскільки PTFE м’який і слизький.
- Багато проєктів використовують гібрид: тонкий високочастотний шар для радіочасті та FR-4 для решти, що знижує вартість, але потребує структури шарів, яка працює для заводу.
- Запитайте завод, які марки та товщини він може поставити, перш ніж проєктувати плату довкола однієї.
Вам рідко потрібні вони нижче 1 ГГц. Між 1 і кількома гігагерцами ретельний проєкт на FR-4 працює для багатьох продуктів; вище цього або коли втрати важливі, кращий ламінат стає здоровим вибором.
Гнучкі та жорстко-гнучкі плати
Гнучка плата робиться на поліімідній плівці, а не на скловолокні. Вона гнеться й може бути складена один раз для підгонки або гнутися знову й знову в рухомій частині. Два застосування різні: згин, зроблений один раз, — статичний згин, повторний згин — динамічний згин, і правила проєктування (тип міді, радіус згину, трасування доріжок) не однакові. Жорстко-гнучкі поєднують жорсткі секції та гнучкі з’єднання в одному шматку.
Пункти для запам’ятовування:
- Flex потребує радіуса згину, який залежить від його товщини; проєктанти використовують кратне загальної товщини, з більшими кратними для більшого числа шарів і для динамічного використання.
- Підсилювачі (додатковий жорсткий матеріал, приклеєний за областями роз’ємів) додаються там, де монтуються деталі або де вставляється роз’єм.
- Flex і жорстко-гнучкі коштують набагато дорожче за площу, ніж FR-4.
- Flex поглинає вологу та має сушитися до монтажу.
- FR-4: мідь, жорстке ядро зі склотканини в смолі (смуги), мідь.
- Металеве ядро: мідне коло, тонкий ізолювальний шар, потім товста металева основа.
- Flex: тонка плівка з міддю на ній. Вона гнеться замість того, щоб залишатися плоскою.
- Тепло від деталі на платі з металевим ядром іде вниз через тонкий ізолятор в основу.
Як вибирати
- Почніть із FR-4. Виберіть Tg із процесу паяння та числа шарів.
- Виберіть металеве ядро, коли тепло від кількох деталей — проблема, і виведіть тепло через плату.
- Виберіть високочастотний ламінат, коли втрати або стабільний Dk задають продуктивність, зазвичай для радіо.
- Виберіть flex, коли продукт рухається або має підходити до форми, до якої жорстка плата не може.
- Коли сумніваєтеся, запитайте завод до проєктування плати довкола матеріалу.
Як це виглядає під час замовлення тут
Пропоновані матеріали, товщини та спеціальні процеси перелічено на сторінці виробничих можливостей, і чинний список — список, який рахується. Завод працює з FR-4, алюмінієм, міддю та гнучкими підкладками й із матеріалами з високим Tg, безгалогенними та високочастотними. Які з них Ви можете замовити через сайт, установлено на сторінці можливостей, а інженер підтверджує кожне замовлення. Структури шарів та імпеданс покрито у статті Товщина міді, структури шарів та імпеданс.