Hvad er printplader lavet af? En PCB Maker's Guide til pladematerialer

Spørg de fleste ingeniører, hvad et printkort er lavet af, og du vil få et enkelt ord tilbage: glasfiber. Det svar er korrekt, men det dækker kun det første lag af en længere historie. Et printkort er en omhyggeligt konstrueret stak af materialer, og hver enkelt af dem skal gøre sig fortjent til sin plads. Underlaget giver pladen sin krop og dens elektriske isolering, kobberet bærer strømmen, loddemasken beskytter overfladen, og den endelige finish holder kobberet loddebart i årevis.

Vi har fremstillet brædder på vores Guangde-anlæg siden 2013, fra simple enkeltsidede paneler op til 32-lags stakke, så vi har en tendens til at besvare dette spørgsmål, som en fabrikant gør. Det egentlige spørgsmål er ikke, hvad et PCB er lavet af generelt, men hvilken kombination af materialer, der vil overleve dit produkts miljø i dets forventede levetid.

Kerneingredienserne i et printkort

Fjern jargonen, og næsten alle tavler er bygget af den samme korte liste af materialer:

• Substrat: den isolerende base, normalt vævet glasfiber bundet med epoxyharpiks.
• Kobberfolie: lamineret på underlaget og ætset i spor, puder og planer.
• Plettering: kobber, og nogle gange tin eller guld, aflejret inde i borede huller for at forbinde lagene.
• Loddemaske: den farvede belægning, der dækker alt undtagen de puder, du skal lodde.
• Silketryk: den trykte forklaring, der identificerer komponenter og referencebetegnelser.
• Overfladefinish: et tyndt metallisk eller organisk lag, der forhindrer eksponeret kobber i at oxidere.

Hvert af disse materialer kan byttes, opgraderes eller fortykkes, og hver udskiftning ændrer omkostninger, fremstillingsevne og feltpålidelighed på samme tid.

Underlaget: glasklud, harpiks og alternativerne

Standard FR-4 begynder med vævet glasdug. Klæden er imprægneret med epoxyharpiks og hærdes delvist til et ark kaldet prepreg, derefter stablet og presset under varme og tryk, indtil harpiksen flyder og hærder. Resultatet er stift, formstabilt og en fremragende isolator: Glasset giver mekanisk styrke, mens harpiksen definerer den elektriske og termiske adfærd.

Fra det udgangspunkt forgrener familien sig hurtigt:

• FR-4 i standard-, høj-Tg- og halogenfri kvaliteter, industriens arbejdshest.
• CEM-1 og CEM-3, sammensatte epoxy med en ikke-vævet glaskerne til omkostningsfølsomme produkter.
• FR-1 og FR-2, papirbaserede laminater, der anvendes i meget billige enkeltsidede plader.
• Polyimidfilm, den fleksible base til FPC og stive-flex-design, der skal bøjes.
• PTFE og keramikfyldte kulbrintelaminater, valgt når signaltab skal forblive lavt ved gigahertz-frekvenser.

De fleste af de vigtige afvejninger lever i harpikssystemet frem for kobberet. Glasovergangstemperatur, nedbrydningstemperatur, dielektrisk konstant og fugtabsorption kommer alle fra laminatkemien.

Dobbeltsidet OSP PCB FR4 PCB'er anvender et epoxyharpiks fiberglassubstrat, der tilbyder fremragende mekanisk styrke, højtemperaturbestandighed og elektriske isoleringsegenskaber. De en... Se produkt →

Et dobbeltsidet FR-4-bræt med en OSP-finish er hverdagseksemplet: standardlaminat, standardtykkelse og en finish, der passer til højvolumen-reflowlodning uden ekstra omkostninger.

Kobber: Den del, der bærer strømmen

Kobber er den anden væsentlige ingrediens. Folie er specificeret efter vægt, og konverteringen er værd at huske: en ounce kobber spredt over en kvadratfod er omkring 35 mikron tyk. Fin-pitch digitale designs kører normalt på en halv ounce eller en ounce folie, power boards går op til to ounce, og tungt kobber arbejde går til tre ounce og mere.

Kobber optræder flere steder end de synlige spor. Under fremstillingen galvaniseres yderligere kobber i hvert boret hul for at danne en kontinuerlig tøndevæg, og de ydre lag mønsterbelægges før ætsning. Kvaliteten af ​​den plettering, ikke kun dens tykkelse, afgør, om en via overlever gentagne termiske cykler.

Når de nuværende krav stiger, er svaret ofte mere kobber end mere bordareal. Tunge kobberkonstruktioner fordeler belastningen på de indre lag, hvilket holder temperaturstigningen under kontrol uden en ekstern køleplade.

14-lags kobber Tykke kobber-PCB'er bruger ultra-tyk kobberfolie, der spænder fra 3 oz til 20 oz, og kan prale med enestående strømbærende kapacitet (over 100A) og høj temperaturmodstand ... Se produkt →

Når glasfiber er det forkerte valg

FR-4 besvarer de fleste spørgsmål, men tre materialefamilier tager over, når den ikke kan.

Metal-kerne og kobber-kerne plader

Aluminium bruges som base, når varmen hurtigt skal forlade pladen. Et tyndt dielektrisk lag er bundet til aluminiumet, kobberkredsløb er ætset på toppen, og metalbagsiden fungerer som en varmespreder. Kobberkerneversioner går længere og bærer meget høje strømtætheder i LED-belysning, motordrev og strømkonvertering. Så tyndt som det er, skal det dielektriske lag stadig holde den fulde arbejdsspænding fra, så dets tykkelse og varmeledningsevne er de to tal, der er værd at tjekke først.

Enkeltsidet aluminium PCB Metalsubstrater anvender aluminium, kobber og andre metaller som deres kerne termisk ledende lag. Et specialiseret isolerende dielektrikum opnår overlegen varmeafledning... Se produkt →

Keramiske underlag

Aluminiumoxid og aluminiumnitrid bringer termisk ledningsevne, som intet polymerlaminat kan matche, sammen med en termisk udvidelseskoefficient tæt på silicium. De optræder i højeffekt LED-moduler, RF-effekttrin og sensorer, der skal fortsætte med at arbejde gennem brede temperaturudsving.

Fleksible film

Polyimid erstatter glasdug, når pladen skal bøjes. De samme kobber- og finishregler gælder, kun underlaget ændres, og dermed håndteringsreglerne under montagen.

Loddemaske, silketryk og overfladefinish

Loddemaske er en epoxybaseret belægning påført over pladen og derefter hærdet. Det forhindrer loddegods i at danne bro mellem puderne, beskytter kobberet nedenunder mod fugt og forurening og giver pladen dens velkendte farve. Grøn er traditionel, fordi den har den længste track record inden for billeddannelse og inspektion, men sort, blå, rød og mat sort er rutine i dag. Silkscreen blæk er trykt oven på masken for at markere komponentreferencer og polaritet, og selvom det ikke bærer nogen strøm, er det det første, en montageoperatør er afhængig af.

Overfladefinishen er den sidste materialebeslutning og en af ​​de mest konsekvensmæssige. Udjævning af varmluftlodde er den billige mulighed, OSP er organisk og falmer efter et par reflows, og ENIG eller immersionsølv giver en flad overflade til fine-pitch dele. Hvor et bræt indsættes og fjernes gentagne gange, er hårdt guld svaret. Alle vores finish fås i blyfri versioner.

Kort overblik over printpladematerialer

Tabellen nedenfor opsummerer de materialesystemer, vi oftest bygger, og hvad hver enkelt er lavet af.

Hvordan applikationen vælger materialet

Materialevalg er sjældent et frit valg. Den følger det miljø bestyrelsen vil leve i.

Forbruger- og hvidevareprodukter

Hvor omkostningerne dominerer, er standard FR-4 eller CEM-3 med en HASL eller OSP finish normalt nok.

Automotive og industriel kontrol

Vibration, termisk cykling og lang levetid skubber design i retning af høj-Tg-laminater, tykkere kobber og finish som ENIG, der overlever gentagne reflow.

Power og højfrekvente designs

Termisk styring og signalintegritet har prioritet, hvilket betyder metalkerne, keramik eller PTFE-baserede materialer frem for en tykkere glasplade.

Hvis du er usikker på, hvor dit produkt sidder, hjælper det at se, hvordan lignende brædder allerede bliver bygget. Du kan gennemse de anvendelsesområder, vi støtter at se de materialekombinationer, der allerede er bevist i hvert segment.

Praktiske noter fra butiksgulvet

Et par ting, vi fortæller kunder, der vælger materialer for første gang:

1. Vælg finish, før layoutet fryses, fordi pudegeometri og via telting afhænger af det.
2. Tilpas kobbervægten til strømstyrken, ikke til vane, da overdimensioneret kobber øger ætsningsbesvær og -omkostninger.
3. Spørg om Tg tidligt, fordi et høj-Tg laminat koster lidt mere og fjerner en hel klasse af feltfejl.
4. Bekræft stack-up-tegningen før frigivelse, fordi de fleste forsinkelser starter som et manglende eller tvetydigt lag.

Hvis du vil have et dybere kig på, hvordan laminatvalg, kobbervægt og finish interagerer, er vores guide til valg af FR-4, RF og metalkernematerialer gennemgår sammenligningerne mere detaljeret.

Så hvad er printplader lavet af? Glasdug og epoxyharpiks, kobberfolie og belagte tønder, en loddemaske, en trykt legende og en endelig finish, der holder det hele loddebart. Den interessante del er ikke selve listen, men den måde, disse materialer matches til jobbet. Få det rigtige match, og brættet gør stille og roligt sit arbejde i et årti eller mere.