Mitä materiaaleja käytetään piirilevyjen valmistuksessa

Piirilevyjä valmistetaan käyttämällä yhdistelmää dielektrisiä substraatteja, kuparifolioita, prepreg-materiaaleja, juotosmaskeja ja pintakäsittelyjä. Materiaalivalinta vaikuttaa suoraan sähköisiin ominaisuuksiin, lämpöstabiiliuteen, mekaaniseen lujuuteen ja pitkäaikaiseen luotettavuuteen.

Vaikka FR4 on edelleen yleisimmin käytetty substraatti, monet sovellukset vaativat erikoismateriaaleja, jotta ne täyttäisivät korkeampia taajuus-, lämpötila- tai lämmönjohtavuusvaatimuksia. Kunkin materiaalin roolin ymmärtäminen auttaa insinöörejä valitsemaan sopivimman kerrostusratkaisun tiettyyn suunnitteluun.

PCB-alustamateriaalit

Alusta toimii piirilevyn rakenteellisena perustana. Se tarjoaa mekaanista tukea ja sähköeristyksen johtavien kerrosten välillä.

Piirilevyjen valmistuksessa käytetään yleisesti useita substraattijärjestelmiä.

FR4

FR4 on alan vakiomateriaali useimmissa kaupallisissa ja teollisissa elektroniikkasovelluksissa. Se koostuu kudotusta lasikuidusta ja epoksihartsista, ja sillä on hyvät sähköiset ominaisuudet sekä se on kustannustehokas.

Tyypillisiä sovelluksia ovat:

• Viihde-elektroniikka
• Teollisuuden ohjauslaitteet
• Viestintälaitteet
• Autoteollisuuden moduulit

Tavallisissa monikerroksisissa piirilevyissä FR4 tarjoaa hyvän tasapainon suorituskyvyn ja valmistuskustannusten välillä.

Korkean lasittumislämpötilan FR4

Materiaaleja, joilla on korkea lasittumislämpötila (TG), suositellaan käytettäväksi silloin, kun piirilevyt altistuvat korkeille lämpötiloille tai useille lyijyttömille juotosjaksoille.

Korkean TG-arvon laminaatteja käytetään usein seuraavissa sovelluksissa:

• Autoelektroniikka
• Virtalähteet
• Palvelimet
• Teollisuuden ohjausjärjestelmät

Verrattuna tavalliseen FR4-materiaaliin korkean TG-arvon omaavat materiaalit ovat mitta- ja kosteuskestävämpiä.

Suurtaajuusmateriaalit

Radio- ja mikroaaltosovelluksissa tarvitaan usein materiaaleja, joiden dielektrisyysvakion vaihtelu on vähäistä ja häviökerroin pieni.

Yleisiä esimerkkejä ovat:

• Rogersin laminaatit
• PTFE-pohjaiset materiaalit
• Taconic-materiaalit
• Panasonic Megtron -sarja

Näitä materiaaleja käytetään laajalti seuraavilla aloilla:

• Tutkajärjestelmät
• 5G-viestintälaitteet
• Satelliittielektroniikka
• Nopeat verkkotuotteet

Polyimidimateriaalit

Polyimidimateriaalit tarjoavat erinomaista lämmönkestävyyttä ja joustavuutta. Niitä käytetään yleisesti joustavissa ja jäykkä-joustavissa piirilevyissä.

Tyypillisiä toimialoja ovat muun muassa:

• Ilmailu- ja avaruusala
• Lääketieteellinen elektroniikka
• Puettavat laitteet
• Sotilasjärjestelmät

Polyimidilevyt kestävät vaativia olosuhteita, joissa perinteinen FR4-levy ei välttämättä sovellu käyttöön.

Metallisydänmateriaalit

Metallisydämisissä piirilevyissä käytetään alumiini- tai kuparipohjia lämmön haihtumisen parantamiseksi.

Niitä käytetään usein seuraaviin tarkoituksiin:

• LED-valaistus
• Teho muuntimet
• Ajoneuvojen valaistus
• Suurvirtaiset sovellukset

Alumiinisydämiset piirilevyt ovat edelleen yleisin ratkaisu, koska niissä lämpöominaisuudet ja valmistuskustannukset ovat tasapainossa.

Kuparifolio

Kuparifolio muodostaa johtavat reitit, jotka välittävät sähköisiä signaaleja ja virtaa koko piirilevyn läpi.

Yleisiä kuparipainoja ovat muun muassa:

Paksumpi kupari parantaa virrankantokykyä, mutta vaikuttaa myös johtimien väliseen etäisyyteen ja syövytystoleransseihin.

Raskaita kuparirakenteita käytetään usein tehoelektroniikassa ja teollisuuslaitteissa.

Ydin- ja prepreg-materiaalit

Monikerroksiset piirilevyt valmistetaan ydinmateriaaleista ja prepreg-materiaaleista.

Ydinmateriaali

Ydin koostuu kovetetusta laminaatista, jonka molemmilla puolilla on kuparifolio. Se takaa jäykkyyden ja määrittää kerroksen paksuuden.

Prepreg

Prepreg koostuu osittain kovettuneesta hartsista, jota on vahvistettu lasikuitukankaalla. Laminoinnin aikana lämpö ja paine sitovat useita kerroksia toisiinsa.

Ytimen ja prepregin yhdistelmä määrää:

• Levyn paksuus
• Impedanssin säätö
• Mekaaninen vakaus
• Kerrosten välinen etäisyys

Oikeanlainen materiaalivalinta on olennaisen tärkeää suurinopeuksisissa suunnitteluratkaisuissa ja impedanssiohjatuissa rakenteissa.

Juotosmaski

Juotosmaski suojaa kuparijohteita hapettumiselta ja estää juotos siltojen muodostumisen kokoonpanon aikana.

Vihreä on edelleen yleisin väri, vaikka mustaa, valkoista, sinistä ja punaista on myös laajalti saatavilla.

Ulkonäön lisäksi juotosmaskit parantavat:

• Pintieristys
• Kosteudenkestävyys
• Kemiallinen kestävyys
• Luotettavuus kokoonpanon aikana

Pintakäsittelymateriaalit

Pintakäsittelyt suojaavat paljaana olevia kuparipisteitä ja takaavat juotettavuuden.

Yleisiä pintakäsittelyjä ovat:

ENIG

Kemiallinen nikkelipinnoitus ja upotuskullaus tarjoavat erinomaisen tasaisuuden ja korroosionkestävyyden, minkä ansiosta ne sopivat tiheästi sijoitettuihin komponentteihin ja BGA-paketteihin.

HASL

Kuuma-ilma-juotosmenetelmä on edelleen kustannustehokas vaihtoehto perinteisille kokoonpanoille.

Upotuspurkki

Upotustina takaa hyvän juotettavuuden, ja sitä käytetään usein viestintä- ja teollisuustuotteissa.

OSP

Orgaanista juotettavuuden säilyttävää ainetta valitaan usein suurivolyymiseen kuluttajaelektroniikkaan sen edullisen hinnan vuoksi.

Materiaalin valinta riippuu käyttötarkoituksesta

Eri sovellukset asettavat erilaisia vaatimuksia piirilevyjen materiaaleille.

Materiaalivalinnassa on otettava huomioon useita tekijöitä samanaikaisesti:

• Toimintataajuus
• Lämpövaatimukset
• Mekaaninen rasitus
• Kokoonpanoprosessi
• Kustannustavoite
• Pitkäaikainen luotettavuus

Oikean yhdistelmän valitseminen substraatin, kuparifolion, prepregin, juotosmaskin ja pintakäsittelyn välillä auttaa varmistamaan vakaan suorituskyvyn tuotteen koko elinkaaren ajan.

FAQ