Materiały używane w płytkach drukowanych (PCB): Kompleksowy przewodnik dla producentów.

Wyobraźnia zmodernizowana przez klienta

Płyty obwodów drukowanych (PCB) są niewidzialnym podstawą każdego urządzenia elektronicznego, od smartfonów po statki kosmiczne, ale ich wydajność zależy całkowicie od materiałów używanych do ich budowy.Modem 5G smartfona opiera się na materiałach podłoża o niskiej stratze, aby uniknąć przerwania sygnału, podczas gdy system zarządzania baterią (BMS) EV ̇ wymaga folii miedzi odpornej na ciepło, aby poradzić sobie z dużymi prądami.lub nawet zagrożeń dla bezpieczeństwa (e(np. przegrzanie w wyrobach medycznych).

W niniejszym podręczniku przedstawiono najważniejsze materiały składające się na PCB, ich unikalne właściwości oraz sposób wyboru odpowiednich do zastosowania.Zajmiemy się wszystkim, od podstaw i przewodzących folii miedzi po ochronną maskę lutową i wykończenia powierzchni zwiększające niezawodność, z porównaniami opartymi na danych i rzeczywistymi przypadkami zastosowania dostosowanymi do amerykańskich standardów produkcyjnych.Zrozumienie tych materiałów jest kluczem do budowy PCB, które wykonują, ostatni i osiągnięcie celów kosztów.

Kluczowe wnioski
a. Materiały podłoża (np. FR4, Rogers, poliamid) określają właściwości termiczne, elektryczne i mechaniczne PCB.Podczas gdy Rogers wyróżnia się w projektach 5G/mmWave.
b.Gęstość folii miedzianej (1 oz ≈ 5 oz) i typ (elektrolytyczny lub walcowany) pojemność prądu: 2 oz miedzi obsługuje prądy 30A + (krytyczne dla pojazdów elektrycznych),podczas gdy walcowana miedź oferuje elastyczność dla urządzeń do noszenia.
c.Maski lutownicze (głównie zielone LPI) chronią ślady przed korozją i mostami lutowniczymi, z wymaganymi wariantami wysokiej temperatury (Tg ≥ 150 °C) dla PCB samochodowych i przemysłowych.
d. Wykończenia powierzchniowe (ENIG, HASL, ENEPIG) określają łatwość spawania i długość życia: ENEPIG jest złotym standardem w dziedzinie medycyny/kosmicznej, podczas gdy HASL pozostaje opłacalny w przypadku urządzeń o niskiej niezawodności.
e.Błędy w wyborze materiału powodują 35% awarii PCB (dane IPC)  dopasowanie materiałów do potrzeb zastosowania (np. temperatury, częstotliwości, prądu) zmniejsza współczynnik awarii pola o 50%.

1Materiały podłoża PCB: podstawa wydajności
Substrat to nieprzewodząca podstawa, która zawiera ślady miedzi, komponenty i inne warstwy PCB.
a. Przewodność cieplna: Jak dobrze PCB rozprasza ciepło (krytyczne dla komponentów o wysokiej mocy, takich jak IGBT).
b. stała dielektryczna (Dk): jak dobrze izoluje sygnały elektryczne (niskie Dk = lepsza wydajność wysokiej częstotliwości).
c. Wytrzymałość mechaniczna: odporność na wypaczanie, gięcie lub pęknięcie (klucz do trudnych warunków).

Poniżej znajdują się najczęstsze materiały podłoża, z szczegółowym porównaniem w celu wskazania wyboru:

Dlaczego wybór podłoża ma znaczenie?
a.Elektronika użytkowa: FR4 jest w tym przypadku najważniejszym rozwiązaniem, ponieważ jego niskie koszty i odpowiednia wydajność termiczna (0,3 W/m·K) umożliwiają zasilanie telefonów inteligentnych i tabletów o mocy 1,5 W.6-warstwowy PCB FR4 w iPhone'ie 15 kosztuje ~(2.50, w porównaniu z) 12,50 za równowartość Rogers.
b.5G/Telekom: niskie Dk (3.48) Rogers RO4350 ′ minimalizuje utratę sygnału w 28 GHz, co czyni go niezbędnym dla stacji bazowych 5G. Bez niego sygnały 5G pogorszyłoby się o 40% w ciągu 10 cm śladu.
c.W przestrzeni powietrznej: Substraty poliamidów wytrzymują wahania temperatury od -55°C do 200°C i są odporne na promieniowanie, co czyni je idealnymi materiałami do tworzenia PCB satelitarnych.Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba NASA wykorzystuje PCB na bazie poliamidów do swoich instrumentów kriogenicznych.
d.EV: Substraty z rdzenia aluminiowego (MCPCB) w falownikach EV rozpraszają ciepło 3 razy szybciej niż FR4, utrzymując temperaturę połączenia IGBT poniżej 125 °C (progi dla ograniczenia cieplnego).

2Folia miedziana: przewodzący rdzeń
Folia miedziana jest materiałem przewodzącym, który tworzy ślady, płaszczyzny i podkładki – przenoszące sygnały elektryczne i moc przez PCB.elastyczność, i kosztów.

Główne specyfikacje folii miedzianej
a.Grubość: mierzona w uncjach (oz) (1 oz = grubość 35 μm).
1 uncja: Idealne dla sygnałów niskiego prądu (≤10A) w elektronikach użytkowych.
2 oz: obsługuje prądy 10-30A (EV BMS, napędy silników przemysłowych).
3 ̊5 oz: do zastosowań o dużej mocy (50A+), takich jak falowniki elektryczne lub sprzęt spawalniczy.
b.Typ: dwa podstawowe warianty, każde dostosowane do specyficznych potrzeb:

Ważne względy dotyczące folii miedzianej
a.Pojemność prądu: 1 mm szerokości, 2 oz ślad miedzi przenosi ~ 30A w temperaturze 25 °C (standardy IPC-2221).
b.Ruchliwość powierzchniowa: walcowana miedź ma gładszą powierzchnię (Ra <0,5 μm) niż elektrolityczna (Ra 1?? 2 μm), zmniejszając utratę sygnału przy wysokich częstotliwościach (28 GHz +).
c. Elastyczność: Walcowana miedź wytrzymuje ponad 10 000 cykli gięcia (w porównaniu z 1000 w przypadku elektrolitycznych), co jest kluczowe dla składanych telefonów lub czujników noszalnych.

Przykład: Model Y BMS firmy Tesla wykorzystuje 2 oz folię miedzianą elektrolityczną do samolotów napędowych, równoważąc koszt i pojemność prądu (30A na ślad), utrzymując PCB na tyle cienką, aby zmieścić się w akumulatorze.

3. Maska lutowa: Ochrona śladów i zapobieganie szortom
a.Maska lutowa to płynna lub sucha folia nakładana na ślady miedzi (z wyjątkiem podkładek):
b. Chroni miedź przed utlenianiem i korozją.
c.Przeciwdziałanie przypadkowym mostom lutowym między sąsiednimi śladami (często występującymi w PCB o wysokiej gęstości).
d.Izoluje ślady od wilgoci, kurzu i chemikaliów.

Powszechne typy masek lutowych
Liquid Photoimageable (LPI) solder mask jest stosowany w 95% nowoczesnych PCBs®, które są stosowane jako ciecz, narażone na promieniowanie UV (przez fotomaskę) i opracowane tak, aby pozostawić podkładki odkryte.Drukowane na ekranie) są dziś rzadkie ze względu na niższą precyzję.

Dlaczego kolor maski lutowej ma znaczenie?
a.Zielona: Standardy branżowe: przystępne cenowo, łatwe do inspekcji (w przeciwieństwie do miedzi) i kompatybilne z większością procesów.
b.Czarne: Popularne w urządzeniach wysokiej klasy (np. smartfony premium) ze względu na estetykę, ale trudniejsze do sprawdzenia (wymaga światła UV do sprawdzenia wad).
c.Biały: Używany w PCB LED® odbija światło, aby zwiększyć jasność LED o 15%.

Kluczowa uwaga: wysokiej temperatury LPI (Tg ≥150°C) jest obowiązkowe dla PCB samochodowych, które działają w środowiskach pod osłoną (125°C+).prowadzące do zwarć.

4Atramentu jedwabnego: oznakowanie i identyfikacja
Atrament jedwabnoprzęgowy to ostatnia warstwa nakładana na PCB, która drukuje tekst, logo, odniesienia do komponentów (np. R1, U2 i znaki biegunowe).Jest kluczowy dla montażu (wytyczne dotyczące umieszczenia części) i utrzymania (zidentyfikowanie części do naprawy).

Rodzaje atramentu jedwabnego
Większość tusz jest opartych na epoksydzie (odpornych na ciepło i chemikalia) lub UV (szybkie suszenie w przypadku produkcji dużych objętości).

Najlepsze praktyki w dziedzinie jedwabiu
a.Wielkość czcionki: Użyj tekstu o wysokości co najmniej 0,8 mm. Mniejszy tekst jest trudny do odczytania i może być pomarszczony podczas montażu.
b.Przepuszczalność: Trzymaj atrament 0,1 mm od podkładek ‒ atrament na podkładkach zapobiega lutowaniu (główna przyczyna wad montażu).
c. Trwałość: atramenty epoksydowe są preferowane dla PCB przemysłowych, które mogą być często czyszczone lub obsługiwane.

Przykład: fabryka naprawy napędów silników przemysłowych polega na epoksydowym ekranie jedwabnym w celu zidentyfikowania wadliwego rezystora (R45), bez jasnej etykietowania czas naprawy byłby podwojony, kosztując 500 USD za godzinę przestoju.

5Wykończenia powierzchni PCB: zapewnienie spawalności i długowieczności
Wykończenia powierzchniowe pokrywają podkładki miedziane:
a. Zapobieganie utlenianiu (które niszczy łatwość spawania).
b.Poprawa niezawodności złącza lutowego.
c. Zwiększenie czasu trwania PCB (od 6 miesięcy do 2+ lat).
Jest to jeden z najważniejszych wyborów materiału, ponieważ złe wykończenia powodują 25% awarii lutowania (dane IPC).

Dlaczego nie można negocjować ostatecznego wyboru
a.Urządzenia medyczne: ENEPIG jest obowiązkowy. Unika "czarnej podkładki" (krupnego związku niklu i złota, który powoduje niewydolność stawów) i jest odporny na sterylizację w autoklawie (134°C, ciśnienie 2 barów).
b.Przemysł lotniczy: 18-miesięczny okres trwałości ENIG zapewnia, że PCB pozostaną sprzedawalne podczas długiego przechowywania (np. komponenty satelitarne przechowywane przez 2 lata przed uruchomieniem).
c. Elektronika użytkowa: HASL jest opłacalna w przypadku telewizorów lub zabawek, gdzie PCB są szybko montowane i wymieniane co 2-3 lata.
d.EV: ENEPIG wykorzystywany jest w radarach ADAS PCBs, a jego odporność na korozję (1500 godzin na rozpylanie solą) zapobiega awarii ze względu na sól i wilgoć drogową.

6Ramy wyboru materiałów: jak wybrać odpowiednią kombinację
Z tak wieloma opcjami, wybór materiałów PCB może wydawać się przytłaczający.

Krok 1: Określ wymagania dotyczące wydajności
a.Elektryczne: Jaka jest maksymalna częstotliwość (np. 28 GHz dla 5G) lub prąd (np. 30A dla EV BMS)?
b.Termiczny: Jaka jest maksymalna temperatura pracy (np. 150°C w przypadku samochodów)? Wybierz podłoże o wysokim Tg (FR4 Tg 170°C) i MCPCB do rozpraszania ciepła.
c.Mechaniczne: Czy PCB będzie się gięło (nosi się) lub wytrzyma wibracje (w przestrzeni powietrznej)?

Krok 2: Rozważ koszty i wartość
a.Elektronika użytkowa: priorytetowo wykorzystuj materiały o niskiej cenie (FR4, 1 uncja miedzi elektrolitycznej, HASL) w celu spełnienia kryteriów cenowych (np. smartfon o cenie 200 USD nie może sobie pozwolić na podłoże Rogers).
b. Wysoka niezawodność (medyczna/kosmiczna): Inwestowanie w najwyższej klasy materiały (ENEPIG, poliamid, Rogers) – (10 dodatkowych na PCB unika) roszczeń gwarancyjnych lub grzywien regulacyjnych powyżej 100 tys.

Krok 3: Sprawdzenie zgodności produkcji
a. Upewnij się, że materiały są zgodne z procesem montażu:
Elastyczne płytki PCB wymagają walcowanej miedzi i poliamidów maski lutowej ̇ miedź elektrolityczna pęknie podczas gięcia.
W przypadku serii o dużej objętości (100 tys.+ PCB) silkscreen wytrzymały pod wpływem promieniowania UV (szybkie utwardzanie) jest korzystny w porównaniu z epoksydowym (wolniejszy).

Krok 4: Zweryfikowanie zgodności
a.W motoryzacji: Materiały muszą spełniać wymagania normy IATF 16949 (np. maska lutowa o wysokim Tg, ENEPIG).
b.Medyczne: ISO 13485 wymaga stosowania materiałów biokompatybilnych (np. ENEPIG, poliamid).
c.Rynki światowe: Zgodność z RoHS zakazuje ołowiu wybierz HASL (Sn-Cu) lub ENIG bez ołowiu.

7. Kombinacje rzeczywistych materiałów według branży
Aby konkretyzować wybór materiału, przedstawiamy wypróbowane kombinacje dla powszechnych zastosowań:

Elektronika użytkowa (główne PCB smartfonów)
1.Substrat: FR4 o wysokim Tg (Tg 170°C)
2.Folii miedzi: 1 oz elektrolityczne (warstwy sygnału), 2 oz elektrolityczne (powietrzne płaszczyzny)
3.Maska lutowa: standardowa zielona LPI (Tg 130°C)
4. Silkscreen: UV-trudny epoksyd (0,8 mm tekstu)
5Wykończenie powierzchniowe: ENIG (równoważy łatwość spawania i koszt)
6.Dlaczego działa: FR4 utrzymuje niskie koszty, 2 oz miedzi obsługuje prądy ładowania (15A), a ENIG zapewnia niezawodne lutowanie BGA (0,4 mm pasma).

Produkty motoryzacyjne (PCB z inwerterami elektrycznymi)
1.Substrat: rdzeń aluminiowy (MCPCB)
2.Folii miedzianej: 3 oz elektrolityczne (podejmuje prądy 50A)
3.Maska lutowa: LPI o wysokim Tg (Tg 180°C)
4. Silkscreen: na bazie epoksydu (odporny na oleje/chemikalia)
5Wykończenie powierzchniowe: ENEPIG (odporność na korozję, bez czarnej podkładki)
6.Dlaczego działa: MCPCB rozprasza ciepło IGBT, 3 oz miedzi przenosi wysoki prąd, a ENEPIG wytrzymuje warunki pod osłoną.

Medyczne (PCB z sterownikiem pacemaker)
1Substrat: poliamid (elastyczny, biokompatybilny)
2Folia miedziana: 1 oz walcowana (prężna, nisko szorstka powierzchnia)
3.Maska lutowa: elastyczny LPI (na bazie poliamidów, biokompatybilny)
4. Silkscreen: Epoksy (odporny na płyny ciała)
5Wykończenie powierzchniowe: ENEPIG (odporny na sterylizację, długi okres trwałości)
6.Dlaczego działa: Polyimid zgina się wraz z ruchem ciała, walcowana miedź zapobiega pękaniu, a ENEPIG spełnia normy ISO 13485.

Powierzchnia geograficzna
1.Substrat: PTFE (niskie Dk dla sygnałów 60 GHz)
2Folia miedziana: 2 oz walcowane (odporne na promieniowanie)
3.Maska lutowa: LPI o wysokim Tg (Tg 180°C, odporna na promieniowanie)
4. Silkscreen: Epoksy (odporny na próżnię i wahania temperatury)
5Wykończenie powierzchniowe: ENIG (18 miesięcy)
6Dlaczego działa: PTFE minimalizuje utratę sygnału w przestrzeni, walcowana miedź jest odporna na uszkodzenia promieniowania, a ENIG zapewnia spawalność po długim przechowywaniu.

Często zadawane pytania dotyczące materiałów PCB
P: Czy mogę mieszać różne materiały podłoża w jednym PCB?
Odpowiedź: Tak, PCB hybrydowe łączą materiały do specyficznych potrzeb. Na przykład PCB router 5G może używać Rogers dla sekcji mmWave (niskie Dk) i FR4 dla reszty (oszczędności kosztów).Upewnij się, że materiały mają podobny współczynnik rozszerzenia cieplnego, aby uniknąć wypaczenia podczas powrotu.

P: Jaka jest różnica między 1 uncją a 2 uncjami miedzi dla śladów sygnału?
Odpowiedź: 1 uncja miedzi (35 μm) wystarczy dla większości sygnałów (≤10A, ≤1 GHz), podczas gdy 2 uncje (70 μm) są potrzebne dla większych prądów (10 30A) lub niższych opór (krytyczne dla długich śladów w przemysłowych płyt PCB).2 oz miedzi również lepiej rozprasza ciepło, zmniejszając temperaturę śladową o 15°C w temperaturze 20A.

P: Dlaczego zielony jest standardowym kolorem maski lutowej?
Odpowiedź: Zielony atrament wykorzystuje pigment (zielony ftalocyjaniny), który jest przystępny cenowo, stabilny na działanie promieniowania UV i zapewnia wysoki kontrast z miedzią, dzięki czemu inspektorzy mogą łatwo wykryć wady (np. brakująca maska lutowa,zadrapania)Inne kolory (czarny, biały) są estetyczne lub funkcjonalne, ale kosztują więcej.

P: Czy ENEPIG jest wart dodatkowych kosztów w porównaniu z ENIG?
Odpowiedź: W przypadku zastosowań o wysokiej niezawodności (medycznej, lotniczej) yes ENEPIG dodaje warstwę paladium, która eliminuje "czarną podkładkę" (główny punkt awarii w ENIG) i poprawia wytrzymałość wiązania drutu o 30%.Do elektroniki użytkowej, ENIG jest zwykle wystarczająca.

P: Czy elastyczne PCB mogą używać podłoża FR4?
Odpowiedź: No √ FR4 jest sztywny i pęka, gdy jest gięty.

Wniosek
Materiały PCB nie są wymienne. Każdy wybór (substrat, miedź, maska lutowa, wykończenie) ma bezpośredni wpływ na wydajność, niezawodność i koszty.FR4 i 1 uncja miedzi do 80% zastosowań konsumenckich, ale 5G, pojazdy elektryczne i urządzenia medyczne wymagają specjalistycznych materiałów takich jak Rogers, 2 uncji+ miedzi i ENEPIG.
Kluczem do sukcesu jest dostosowanie materiałów do wyjątkowych potrzeb aplikacji:
a.Udzielanie priorytetu substratom o niskiej zawartości Dk w projektach o wysokiej częstotliwości.
b.Wybieraj grubszą miedź do dróg o wysokim prądzie.
c.Używanie materiałów o wysokiej temperaturze w środowiskach motoryzacyjnych/przemysłowych.
d.Inwestowanie w wykończenia klasy premium (ENEPIG) dla PCB o długiej długości życia lub o kluczowym znaczeniu dla bezpieczeństwa.
Postępując zgodnie z tym przewodnikiem, unikniesz 35% awarii PCB spowodowanych niezgodnością materiałów i zbudujesz produkty, które spełniają cele wydajności, pozostają w ramach budżetu i przetrwają próbę czasu.Niezależnie od tego, czy jesteś doświadczonym inżynierem, czy założycielem startupu, opanowanie materiałów PCB jest pierwszym krokiem do stworzenia elektroniki, która przewyższa konkurencję.