Jakie materiały są używane do produkcji płytek drukowanych

Płytki drukowane (PCB) są podstawą nowoczesnej elektroniki, zapewniając platformę do łączenia i wspierania różnych komponentów. Tych niedocenianych bohaterów można znaleźć w prawie każdym urządzeniu elektronicznym, którego używamy na co dzień, od smartfonów i komputerów po sprzęt medyczny i systemy samochodowe. Ale czy zastanawiałeś się kiedyś, jakie materiały są używane do produkcji tych niezbędnych komponentów?

W tym artykule zagłębimy się w świat materiałów PCB, badając kluczowe komponenty, które składają się na te skomplikowane płytki, oraz wpływ ich właściwości na wydajność i niezawodność urządzeń elektronicznych.

Wprowadzenie do materiałów PCB

Płytka drukowana to płaska, sztywna struktura, która zawiera obwody elektryczne składające się z osadzonych metalowych powierzchni zwanych ścieżkami i większych obszarów metalu zwanych płaszczyznami. Komponenty są lutowane do płytki na metalowych polach lutowniczych, które są połączone z obwodami płytki, co umożliwia ich wzajemne połączenie. PCB może składać się z jednej, dwóch lub wielu warstw obwodów.

PCB są zbudowane z dielektrycznego materiału rdzenia, który ma słabe właściwości przewodzenia elektrycznego, aby zapewnić czystą transmisję obwodów. Rdzeń ten jest przeplatany dodatkowymi warstwami metalu i dielektryka w razie potrzeby. Standardowym materiałem dielektrycznym stosowanym w płytkach drukowanych jest ognioodporny kompozyt z tkanej tkaniny z włókna szklanego i żywicy epoksydowej, znany jako FR-4, podczas gdy metalowe ścieżki i płaszczyzny obwodów są zwykle wykonane z miedzi.

Kluczowe komponenty PCB obejmują:

• Podłoże: Zapewnia wsparcie mechaniczne i izolację elektryczną
• Warstwa przewodząca: Zwykle miedź, tworzy ścieżki obwodu
• Maska lutownicza: Warstwa ochronna, która izoluje i zapobiega powstawaniu mostków lutowniczych
• Sitodruk: Dodaje tekst i symbole do identyfikacji

Wybór materiałów dla każdego z tych komponentów wpływa na wydajność, trwałość i koszt PCB. Zrozumienie właściwości i cech tych materiałów jest kluczowe dla projektowania i produkcji niezawodnych i wydajnych urządzeń elektronicznych.

Materiały podłoża

Podłoże jest podstawą PCB, zapewniając wsparcie mechaniczne i izolację elektryczną dla warstw przewodzących. Zwykle jest wykonane z materiału dielektrycznego, który ma słabe właściwości przewodzenia elektrycznego, aby zapewnić czystą transmisję obwodów. Najpopularniejszym materiałem podłoża stosowanym w PCB jest FR-4, ognioodporny kompozyt z tkanej tkaniny z włókna szklanego i żywicy epoksydowej.

FR-4 jest szeroko stosowany ze względu na swoje doskonałe właściwości, w tym:

• Wysoki stosunek wytrzymałości do wagi
• Dobra izolacja elektryczna
• Ognioodporność
• Odporność na wilgoć
• Względna odporność na temperaturę (zwykle oceniana na 50°C do 115°C)

Podłoża FR-4 są dostępne w różnych gatunkach, z których każdy ma specyficzne właściwości dostosowane do różnych zastosowań. Na przykład, FR-4 wysokotemperaturowy (wysokie Tg) jest kompatybilny z technologią bezołowiowego rozpływu i może wytrzymać temperatury do 170°C do 180°C. Bezhalogenowy FR-4 to kolejny wariant, który jest zgodny z przepisami ochrony środowiska i jest kompatybilny z technologią bezołowiowego rozpływu.

Oprócz FR-4, w PCB stosuje się inne materiały podłoża do określonych zastosowań:

• Rogers: Kompozyty polimerowo-ceramiczne, które oferują wysoką stabilność termiczną i dobre parametry elektryczne, dzięki czemu nadają się do obwodów o wysokiej częstotliwości i wysokiej wydajności.
• Poliimid: Elastyczny, odporny na ciepło materiał stosowany w elastycznych PCB i środowiskach o wysokiej temperaturze.
• Rdzeń metalowy (np. aluminium): Zapewnia lepsze zarządzanie termiczne i jest stosowany w elektronice dużej mocy i aplikacjach oświetlenia LED.

Wybierając materiał podłoża, inżynierowie muszą wziąć pod uwagę czynniki takie jak właściwości elektryczne, właściwości termiczne i koszt. Odpowiedni materiał podłoża zapewnia, że PCB może spełnić specyficzne wymagania aplikacji, zachowując jednocześnie niezawodność i wydajność.

Materiały przewodzące

Materiały przewodzące odgrywają kluczową rolę w PCB, tworząc ścieżki obwodów, które umożliwiają przesyłanie sygnałów elektrycznych między komponentami. Najczęściej stosowanym materiałem przewodzącym w PCB jest miedź, dzięki jej doskonałej przewodności i opłacalności.

Grubość miedzi jest ważnym czynnikiem w projektowaniu PCB, ponieważ wpływa na obciążalność prądową i integralność sygnału ścieżek. Grubość miedzi jest zwykle mierzona w uncjach na stopę kwadratową (oz/ft²), przy czym 1 oz/ft² jest najczęściej spotykaną grubością. Przekłada się to na około 35 µm lub 1,4 mils. Grubsze warstwy miedzi, takie jak 2 oz/ft² lub 3 oz/ft², są stosowane w aplikacjach dużej mocy lub gdy wymagana jest większa wytrzymałość mechaniczna.

Chociaż miedź jest podstawowym materiałem przewodzącym w PCB, czasami do określonych zastosowań stosuje się inne materiały:

• Aluminium: Stosowane w niektórych aplikacjach dużej mocy ze względu na niższy koszt i wagę w porównaniu z miedzią.
• Srebro i złoto: Stosowane w specjalistycznych zastosowaniach lub jako powłoka w celu poprawy przewodności i odporności na korozję.

Aby chronić ścieżki miedziane przed utlenianiem i zapewnić niezawodne lutowanie, często pokrywa się je warstwą ochronną, taką jak maska lutownicza lub złocenie. Maska lutownicza pomaga również zapobiegać powstawaniu mostków lutowniczych między blisko rozmieszczonymi polami lutowniczymi podczas procesu montażu.

Kolejnym ważnym aspektem w projektowaniu PCB jest szerokość ścieżek miedzianych. Szerokość ścieżki bezpośrednio wpływa na obciążalność prądową obwodu, przy czym szersze ścieżki są w stanie obsłużyć wyższe prądy. Jednak zwiększenie szerokości ścieżki zwiększa również ogólny rozmiar PCB, więc projektanci muszą znaleźć równowagę między obciążalnością prądową a rozmiarem płytki.

Maska Lutownicza

Maska lutownicza, znana również jako rezyst lutowniczy lub maska zatrzymująca lut, to cienka, ochronna warstwa polimeru nakładana na ścieżki miedziane PCB. Jej głównym celem jest izolacja ścieżek przewodzących i zapobieganie przypadkowym zwarciom podczas procesu lutowania.

Maska lutownicza jest zazwyczaj wykonana z polimeru na bazie żywicy epoksydowej, który jest nakładany na powierzchnię PCB za pomocą sitodruku lub technik obrazowania fotochemicznego (LPI). Po nałożeniu maska lutownicza jest utwardzana za pomocą ciepła lub światła ultrafioletowego (UV), aby utworzyć trwałą, ochronną warstwę.

Najpopularniejszym kolorem maski lutowniczej jest zielony, ale dostępne są również inne kolory, takie jak niebieski, czerwony i czarny. Zielony jest najpopularniejszym wyborem, ponieważ zapewnia dobry kontrast w stosunku do ścieżek miedzianych i ułatwia sprawdzanie PCB pod kątem wad.

Główne funkcje maski lutowniczej obejmują:

1. Zapobieganie powstawaniu mostków lutowniczych: Pokrywając przestrzenie między ścieżkami miedzianymi, maska lutownicza zapobiega przypadkowym połączeniom lutowniczym, które mogą powodować zwarcia.
2. Ochrona ścieżek miedzianych: Maska lutownicza chroni ścieżki miedziane przed czynnikami środowiskowymi, takimi jak wilgoć i kurz, które mogą powodować korozję i pogorszenie stanu z upływem czasu.
3. Zapewnienie izolacji elektrycznej: Maska lutownicza działa jako warstwa izolacyjna, zapobiegając kontaktowi elektrycznemu między sąsiednimi ścieżkami i komponentami.

Typowa grubość warstwy maski lutowniczej wynosi od 0,8 do 1,0 milsa (20 do 25 µm). Grubość jest starannie kontrolowana, aby zapewnić, że maska zapewnia odpowiednią ochronę, nie zakłócając procesu lutowania ani umieszczania komponentów.

Maska lutownicza odgrywa kluczową rolę w całym procesie produkcji PCB, zapewniając niezawodność i trwałość gotowego produktu. Bez prawidłowo nałożonej maski lutowniczej PCB byłyby bardziej podatne na zwarcia, korozję i inne problemy, które mogłyby zagrozić ich wydajności i żywotności.

Sitodruk

Sitodruk, znany również jako legenda lub nomenklatura, to warstwa tekstu i symboli drukowana na powierzchni PCB w celu dostarczenia ważnych informacji do montażu, testowania i rozwiązywania problemów. W przeciwieństwie do maski lutowniczej, która służy celom funkcjonalnym, sitodruk jest używany głównie do identyfikacji i komunikacji.

Sitodruk jest zazwyczaj drukowany przy użyciu farby na bazie żywicy epoksydowej, odpornej na ciepło, która dobrze przylega do powierzchni PCB. Najpopularniejszym kolorem sitodruku jest biały, ponieważ zapewnia doskonały kontrast w stosunku do ciemniejszej maski lutowniczej. Można jednak używać również innych kolorów, takich jak żółty.

Informacje zawarte w sitodruku mogą się różnić w zależności od konkretnych wymagań PCB, ale często obejmują:

1. Oznaczenia komponentów: Etykiety identyfikujące lokalizację i typ każdego komponentu na płytce, takie jak „R1” dla rezystora lub „C2” dla kondensatora.
2. Oznaczenia referencyjne: Unikalne identyfikatory dla każdego komponentu, które odpowiadają jego symbolowi schematycznemu i pozycji w zestawieniu materiałów (BOM).
3. Wskaźniki polaryzacji: Symbole wskazujące prawidłową orientację komponentów spolaryzowanych, takich jak kondensatory elektrolityczne i diody.
4. Logotypy producenta: Elementy brandingowe identyfikujące producenta PCB lub firmę, która zaprojektowała płytkę.
5. Symbole ostrzegawcze: Informacje związane z bezpieczeństwem, takie jak ostrzeżenia o wysokim napięciu lub instrukcje dotyczące obsługi urządzeń wrażliwych na ESD.

Sitodruk jest nakładany na PCB za pomocą sitodruku lub technik druku atramentowego. Sitodruk polega na użyciu szablonu do przeniesienia farby na powierzchnię PCB, podczas gdy druk atramentowy wykorzystuje drukarkę cyfrową do nanoszenia farby bezpośrednio na płytkę.

Obecność wyraźnego i dokładnego sitodruku ma kluczowe znaczenie dla montażu i rozwiązywania problemów z PCB. Pomaga technikom szybko identyfikować komponenty i ich prawidłowe umiejscowienie, zmniejszając ryzyko błędów montażowych i ułatwiając diagnozowanie i naprawianie problemów, które mogą wystąpić podczas cyklu życia produktu.

Rodzaje PCB i uwagi dotyczące materiałów

PCB występują w różnych typach, z których każdy ma swoją unikalną strukturę i wymagania materiałowe. Trzy główne kategorie PCB to płytki jednostronne, dwustronne i wielowarstwowe. Wybór materiałów dla każdego typu zależy od czynników takich jak złożoność obwodu, środowisko pracy i pożądane parametry wydajności.

Płytki jednostronne (Single-Sided PCBs)

Płytki jednostronne mają materiał przewodzący tylko po jednej stronie podłoża. Są to najprostsze i najbardziej opłacalne typy PCB, dzięki czemu nadają się do podstawowych obwodów o niskiej gęstości. Najpopularniejszym materiałem podłoża dla płytek jednostronnych jest FR-4, a warstwa przewodząca jest zazwyczaj wykonana z miedzi.

Płytki jednostronne są często używane w elektronice użytkowej, takiej jak zabawki i proste urządzenia, gdzie koszt jest głównym problemem. Jednak ich ograniczone opcje routingu i mniejsza gęstość komponentów sprawiają, że są mniej odpowiednie do bardziej złożonych projektów.

Płytki dwustronne (Double-Sided PCBs)

Płytki dwustronne mają materiał przewodzący po obu stronach podłoża, co pozwala na bardziej złożone obwody i większą gęstość komponentów. Płytki te często zawierają otwory przelotowe i przelotki (vias) do łączenia warstw przewodzących po przeciwnych stronach.

Rozważania materiałowe dla płytek dwustronnych są podobne do tych dla płytek jednostronnych, przy czym FR-4 jest najpopularniejszym materiałem podłoża. Jednak zwiększona złożoność projektów dwustronnych może wymagać użycia materiałów wyższej klasy lub specjalistycznych podłoży, aby zapewnić prawidłową wydajność i niezawodność.

Płytki dwustronne są używane w szerokim zakresie zastosowań, w tym w elektronice użytkowej, sterowaniu przemysłowym i sprzęcie telekomunikacyjnym.

Płytki drukowane wielowarstwowe

Wielo-warstwowe płytki drukowane (PCB) składają się z trzech lub więcej warstw przewodzących oddzielonych warstwami izolacyjnymi. Płytki te oferują najwyższą gęstość komponentów i opcje routingu, dzięki czemu nadają się do złożonych, wysokowydajnych zastosowań.

Wybór materiału dla wielowarstwowych płytek drukowanych ma kluczowe znaczenie, ponieważ zwiększona liczba warstw i bliskie sąsiedztwo ścieżek przewodzących mogą prowadzić do problemów z integralnością sygnału, takich jak przesłuchy i zakłócenia elektromagnetyczne (EMI). Aby złagodzić te problemy, projektanci mogą używać specjalistycznych materiałów podłoża o niskich stałych dielektrycznych i współczynnikach stratności, takich jak materiały Rogers lub Isola.

Oprócz problemów z integralnością sygnału, wielowarstwowe płytki drukowane stawiają również czoła wyzwaniom związanym z zarządzaniem termicznym i naprężeniami mechanicznymi. Zastosowanie wysokowydajnych materiałów, takich jak poliimid lub podłoża ceramiczne, może pomóc w rozwiązaniu tych problemów i zapewnić niezawodne działanie w wymagających środowiskach.

Wielo-warstwowe płytki drukowane są powszechnie stosowane w wysokowydajnych zastosowaniach, takich jak lotnictwo, obrona i sprzęt medyczny, gdzie niezawodność i wydajność są najważniejsze.

Wybór materiałów dla każdego typu PCB ma znaczący wpływ na wydajność, koszt i złożoność produkcji płytki. Starannie dobierając odpowiednie materiały w oparciu o specyficzne wymagania aplikacji, projektanci mogą zapewnić, że ich płytki drukowane spełniają niezbędne standardy wydajności i niezawodności, minimalizując jednocześnie koszty i wyzwania produkcyjne.

Wnioski

Podsumowując, materiały użyte do budowy płytek drukowanych odgrywają kluczową rolę w określaniu wydajności, niezawodności i kosztów urządzeń elektronicznych. Cztery kluczowe elementy PCB – podłoże, materiały przewodzące, maska lutownicza i sitodruk – każdy służy określonemu celowi i przyczynia się do ogólnej funkcjonalności płytki.

Podłoże, zazwyczaj wykonane z FR-4 lub innych specjalistycznych materiałów, stanowi podstawę PCB, zapewniając wsparcie mechaniczne i izolację elektryczną. Materiały przewodzące, głównie miedź, tworzą ścieżki obwodów, które umożliwiają przepływ sygnałów elektrycznych między komponentami. Maska lutownicza chroni ścieżki miedziane przed uszkodzeniem i zapobiega zwarciom podczas procesu lutowania, a sitodruk dostarcza niezbędnych informacji do montażu i rozwiązywania problemów.

Wraz z postępem technologicznym i wzrostem zapotrzebowania na wysokowydajną elektronikę pojawiają się nowe trendy w materiałach PCB. Opcje przyjazne dla środowiska, takie jak podłoża bezhalogenowe i luty bezołowiowe, stają się coraz bardziej popularne, ponieważ producenci starają się zmniejszyć swój ślad ekologiczny. Ponadto rozwój zaawansowanych materiałów, takich jak podłoża o niskich stratach i laminaty wysokiej częstotliwości, umożliwia projektowanie płytek drukowanych, które mogą pracować z wyższymi częstotliwościami i obsługiwać najnowsze standardy komunikacji.

Dla inżynierów i projektantów dogłębne zrozumienie materiałów PCB jest niezbędne do tworzenia skutecznych i wydajnych urządzeń elektronicznych. Starannie dobierając odpowiednie materiały w oparciu o specyficzne wymagania aplikacji, projektanci mogą zoptymalizować wydajność, niezawodność i koszt swoich produktów. W miarę jak przemysł elektroniczny stale się rozwija, bycie na bieżąco z najnowszymi osiągnięciami w materiałach PCB będzie miało kluczowe znaczenie dla sukcesu w tej dynamicznej i innowacyjnej dziedzinie.