Vật liệu nền của bảng mạch in (PCB) là lớp cách điện (chất điện môi) giữ lớp đồng. Vật liệu này quyết định bo mạch chịu được bao nhiêu nhiệt, tín hiệu truyền dọc theo bo mạch nhanh đến mức nào, khả năng dẫn nhiệt ra ngoài tốt đến đâu, và bo mạch có uốn cong được hay không. Hầu hết các bo mạch đều dùng cùng một vật liệu; chỉ cần vật liệu khác khi có lý do.
Laminate là gì
Bo mạch cứng bắt đầu từ một tấm laminate: một tấm vật liệu cách điện với lá đồng được dán ở một mặt hoặc cả hai mặt. Chất cách điện thường là sợi thủy tinh dệt được ngâm nhựa rồi đóng rắn. Các lớp của bo mạch nhiều lớp được giữ với nhau bằng prepreg, vải thủy tinh với nhựa đóng rắn một phần, sẽ chảy và kết dính trong quá trình ép lớp. Ba thông số mô tả một tấm laminate cho hầu hết các mục đích:
- Lá đồng, được dán vào mặt.
- Nhựa: epoxy đã đóng rắn giữ mọi thứ với nhau và cách điện.
- Vải thủy tinh: các hình bầu dục là bó sợi bị cắt ngang, sợi lượn sóng chạy dọc. Vải này tạo độ bền và độ dày ổn định.
- Đồng ở mặt còn lại. Một lõi có lá đồng ở cả hai mặt, và mạch đồng được ăn mòn từ đó sau này.
- Tg (nhiệt độ chuyển thủy tinh). Nhiệt độ mà tại đó nhựa chuyển từ cứng sang mềm. Trên Tg, bo mạch giãn nở nhanh hơn nhiều, và gây ứng suất lên lỗ và lớp mạ.
- Dk (hằng số điện môi) và Df (hệ số tổn hao). Mức độ vật liệu ảnh hưởng đến tín hiệu điện và lượng năng lượng tín hiệu bị hấp thụ. Hai thông số này quan trọng ở tần số cao và đối với kiểm soát trở kháng.
- Độ dẫn nhiệt. Mức độ nhiệt truyền qua chất điện môi tốt đến đâu.
FR-4
FR-4 là tên gọi chung của laminate epoxy gia cường sợi thủy tinh có phụ gia chống cháy. Vật liệu này rẻ, bền, dễ gia công, và đủ tốt cho hầu hết các thiết bị điện tử. Dk của vật liệu này thường khoảng 4 đến 4,6, tùy thuộc vào hàm lượng nhựa và tần số, và thay đổi theo từng lô và giữa các nhà sản xuất, vì vậy nhà thiết kế cần giá trị chính xác sẽ yêu cầu từ cấu trúc lớp.
FR-4 có nhiều cấp, chủ yếu theo Tg:
| Cấp | Tg điển hình | Ứng dụng |
|---|---|---|
| Tiêu chuẩn | khoảng 130 đến 140 °C | Bo mạch đơn giản, một hoặc hai chu kỳ hàn |
| Tg trung bình | khoảng 150 °C | Hàn không chì, nhiều lớp hơn |
| Tg cao | 170 °C trở lên | Nhiều lớp, bo mạch dày, hàn chảy lại nhiều lần, nhiệt độ vận hành cao hơn |
Chì hàn không chì nóng chảy ở nhiệt độ cao hơn chì hàn thiếc-chì, và bo mạch đi qua lò ở nhiệt độ cao hơn đó, đôi khi hai lần. Bo mạch nhiều lớp, bo mạch dày, và bo mạch sẽ được làm lại sẽ hưởng lợi từ Tg cao hơn. Một thông số liên quan, Td (nhiệt độ phân hủy), cho biết khi nào nhựa bắt đầu mất khối lượng, và là một lý do khác để chọn cấp tốt hơn cho điều kiện làm việc khắc nghiệt.
Trên Tg, nhựa mềm ra và bo mạch giãn nở nhanh hơn nhiều. Hình vẽ so sánh hai cấp.
- Tg của cấp thấp hơn: trên nhiệt độ này bo mạch giãn nở nhanh hơn nhiều.
- Tg của cấp cao hơn: bo mạch vẫn cứng đến nhiệt độ cao hơn.
Các biến thể FR-4 khác cũng được bán: phiên bản không halogen cho các thị trường yêu cầu, và các cấp có khả năng chống sợi anốt dẫn điện tốt hơn (một dạng hỏng chậm bên trong bo mạch). Hãy yêu cầu các biến thể này khi sản phẩm cần.
Bo mạch lõi kim loại (nhôm và đồng)
Bo mạch lõi kim loại dán một lớp mạch đồng mỏng, qua một lớp cách điện mỏng, lên một đế kim loại, thường là nhôm và đôi khi là đồng. Mục đích là nhiệt: lớp cách điện được chế tạo để dẫn nhiệt tốt hơn FR-4 nhiều, và kim loại tản nhiệt ra. Ứng dụng điển hình là chiếu sáng LED và chuyển đổi nguồn.
Những điều cần biết:
- Hầu hết là một mặt; phiên bản hai mặt và nhiều lớp cũng có và đắt hơn.
- Độ dẫn nhiệt của lớp điện môi khác nhau nhiều giữa các cấp, vì vậy con số trên bảng dữ liệu đáng để hỏi.
- Nhôm giãn nở khác với các linh kiện trên đó, điều này có thể gây ứng suất lên linh kiện gốm lớn và mối hàn trong các chu kỳ nhiệt.
- Khoan và phay bo mạch kim loại chậm hơn và bo mạch nặng hơn. Hãy hỏi về các giới hạn.
Laminate tần số cao (Rogers, PTFE và các loại khác)
Ở tần số vô tuyến và vi sóng, FR-4 tiêu chuẩn làm mất quá nhiều tín hiệu, và Dk của nó thay đổi quá nhiều. Các laminate đặc biệt có Dk thấp hơn và ổn định hơn, và Df thấp hơn nhiều. Các laminate này thuộc hai nhóm: gốc PTFE (loại Teflon) và hydrocarbon chứa gốm hoặc vật liệu tương tự. Rogers Corporation là nhà sản xuất được biết đến rộng rãi; các nhà sản xuất khác bán sản phẩm tương đương. Giá trị Dk dao động từ khoảng 2 đến 10 trên các họ vật liệu, vì vậy lựa chọn tuân theo thiết kế.
Điểm thực tế:
- Các laminate này đắt hơn FR-4 tính trên diện tích.
- Các laminate này có thể cần gia công đặc biệt, vì PTFE mềm và trơn.
- Nhiều thiết kế dùng cấu trúc lai: một lớp tần số cao mỏng cho phần vô tuyến và FR-4 cho phần còn lại, giúp giảm chi phí nhưng cần cấu trúc lớp phù hợp với nhà máy.
- Hãy hỏi nhà máy về thương hiệu và độ dày có thể cung cấp trước khi thiết kế bo mạch xoay quanh một vật liệu.
Hiếm khi cần các vật liệu này dưới 1 GHz. Từ 1 đến vài gigahertz, thiết kế FR-4 cẩn thận vẫn phù hợp với nhiều sản phẩm; trên mức đó, hoặc khi tổn hao quan trọng, laminate tốt hơn trở thành lựa chọn hợp lý.
Bo mạch mềm và rigid-flex
Bo mạch mềm được làm trên màng polyimide, không phải trên sợi thủy tinh. Bo mạch này uốn cong được, và có thể gấp một lần cho vừa, hoặc uốn đi uốn lại trong một bộ phận chuyển động. Hai cách dùng khác nhau: uốn một lần là uốn tĩnh, uốn lặp lại là uốn động, và các quy tắc thiết kế (loại đồng, bán kính uốn, định tuyến đường mạch) không giống nhau. Rigid-flex kết hợp các phần cứng và kết nối mềm trong một khối duy nhất.
Điểm cần nhớ:
- Bo mạch mềm cần bán kính uốn phụ thuộc vào độ dày; nhà thiết kế dùng bội số của tổng độ dày, với bội số lớn hơn cho nhiều lớp hơn và cho sử dụng động.
- Tấm tăng cứng (vật liệu cứng bổ sung được dán phía sau khu vực đầu nối) được thêm vào nơi lắp linh kiện hoặc nơi đầu nối cắm vào.
- Bo mạch mềm và rigid-flex đắt hơn FR-4 nhiều tính trên diện tích.
- Bo mạch mềm hút ẩm và cần được sấy khô trước khi lắp ráp.
- FR-4: đồng, lõi cứng bằng vải thủy tinh trong nhựa (các sọc), đồng.
- Lõi kim loại: mạch đồng, lớp cách điện mỏng, rồi đế kim loại dày.
- Mềm: màng mỏng có đồng trên đó. Bo mạch này uốn cong thay vì giữ phẳng.
- Nhiệt từ một linh kiện trên bo mạch lõi kim loại đi xuống qua lớp cách điện mỏng vào đế.
Cách lựa chọn
- Bắt đầu với FR-4. Chọn Tg từ quy trình hàn và số lớp.
- Chọn lõi kim loại khi nhiệt từ một vài linh kiện là vấn đề, và đưa nhiệt ra ngoài qua bo mạch.
- Chọn laminate tần số cao khi tổn hao hoặc Dk ổn định quyết định hiệu năng, thường là cho vô tuyến.
- Chọn bo mạch mềm khi sản phẩm chuyển động hoặc phải vừa với hình dạng mà bo mạch cứng không thể.
- Khi còn phân vân, hãy hỏi nhà máy trước khi thiết kế bo mạch xoay quanh một vật liệu.
Khi Quý khách đặt hàng tại đây
Các vật liệu, độ dày và quy trình đặc biệt được cung cấp được liệt kê trên trang năng lực sản xuất, và danh sách đang có hiệu lực là danh sách được tính. Nhà máy làm việc với FR-4, nhôm, đồng và đế mềm, và với vật liệu Tg cao, không halogen và tần số cao. Vật liệu nào trong số này có thể đặt hàng qua trang web được quy định trên trang năng lực sản xuất, và kỹ sư xác nhận mọi đơn hàng. Cấu trúc lớp và trở kháng được trình bày trong Độ dày lớp đồng, cấu trúc lớp và trở kháng.