De prestaties van een printplaat worden al lang voordat de sporen worden aangelegd of de componenten worden gemonteerd bepaald. Het laminaat dat voor een printplaat wordt gekozen, is bepalend voor het elektrische gedrag, de thermische stabiliteit, de mechanische sterkte en de betrouwbaarheid tijdens de productie.
Hoewel veel ingenieurs alle printplaatmaterialen terloops ‘FR4’ noemen, is de werkelijkheid veel complexer. Bij de moderne productie van printplaten wordt gebruikgemaakt van een breed scala aan laminaatsystemen die zijn ontworpen voor verschillende gebruiksomgevingen, frequenties, temperaturen en betrouwbaarheidseisen.
Inzicht in laminaatmaterialen helpt ontwerpers om betere beslissingen te nemen bij het plannen van de opbouw en de materiaalkeuze.
Inhoudsopgave
Wat is een PCB-laminaat?
Een printplaatlaminaat is een composietmateriaal dat ontstaat door versterkingsmaterialen onder invloed van warmte en druk te combineren met harssystemen.
Het laminaat fungeert als de isolerende structuur die de koperen circuits over de gehele printplaat ondersteunt.
De meeste laminaatvloeren bestaan uit:
- Wapeningsmateriaal
- Harssysteem
- Koperfolie
Samen vormen deze materialen de mechanische en elektrische basis van een printplaat.
Zoals besproken in ons artikel over Welke materialen worden gebruikt bij de productie van printplaten?, Laminaten vormen slechts een onderdeel van het complete materiaalsysteem voor printplaten, maar ze hebben de grootste invloed op de algehele prestaties van de printplaat.
De belangrijkste onderdelen van een printplaatlaminaat
Versterkingsmaterialen
De versteviging zorgt voor mechanische sterkte en maatvastheid.
Veelgebruikte wapeningsmaterialen zijn onder meer:
- Geweven glasvezeldoek
- Glasvezelvlies
- Polyimidfolie
- Keramische vulstoffen
Glasvezel blijft de meest gebruikte optie vanwege de goede balans tussen sterkte, kosten en verwerkbaarheid.
Harssystemen
De hars houdt de wapening bij elkaar en zorgt voor elektrische isolatie.
Veel voorkomende soorten hars zijn onder meer:
- Epoxy
- Polyimide
- PTFE
- Cyaanzuurester
- Mengsels van koolwaterstoffen en keramiek
Het harssysteem is in grote mate bepalend voor:
- Diëlektrische eigenschappen
- Thermische weerstand
- Vochtopname
- Betrouwbaarheid
Koperfolie
Op het oppervlak van het laminaat wordt koperfolie aangebracht om geleidende circuits te vormen.
Verschillende soorten koper kunnen van invloed zijn op:
- Signaalverlies
- Vermogen om fijne lijnen te tekenen
- Prestaties bij hoge stroomsterkte
De keuze van het juiste koper wordt steeds belangrijker bij toepassingen met hoge stroomsterkte en hoge snelheden.
FR4-laminaten
FR4 blijft de belangrijkste laminaatfamilie in de productie van printplaten.
Het materiaal bestaat uit een combinatie van geweven glasweefsel en vlamvertragende epoxyhars, waardoor een veelzijdige en voordelige drager ontstaat.
Gebruikelijke toepassingen zijn onder andere:
- Consumentenelektronica ~4,3-4,8)
- Industriële besturingssystemen
- Communicatieapparatuur
- Medische apparaten
Voor de meeste standaard meerlaagse ontwerpen zijn de eigenschappen van FR4 ruimschoots voldoende.
Lezers die nog niet bekend zijn met de basisprincipes van FR4, kunnen eerst ons artikel over Uitleg over FR4-printplaatmateriaal voordat u zich verdiept in geavanceerde laminaatopties.
Laminaten met een hoge TG-waarde
Naarmate de bedrijfstemperaturen stijgen, kunnen conventionele FR4-materialen hun grenzen bereiken.
Laminaten met een hoge TG-waarde bieden een betere weerstand tegen:
- Thermische cycli
- Delaminatie
- Kromtrekken van de printplaat
- Meerdere loodvrije reflow-processen
Deze materialen komen vaak voor in:
- Automobielelektronica
- Industriële stroomvoorzieningssystemen
- Netwerkapparatuur
- Serverplatforms
In veel moderne meerlaagse ontwerpen zijn materialen met een hoge TG-waarde de voorkeurskeuze geworden voor toepassingen waarbij betrouwbaarheid centraal staat.
Voor een uitgebreide bespreking van de thermische prestaties, zie FR4-printplaat met hoge TG-waarde.
Laminaat met lage verliescoëfficiënt
De eisen op het gebied van signaalintegriteit zijn het afgelopen decennium ingrijpend veranderd.
Digitale hogesnelheidssystemen werken tegenwoordig met datasnelheden waarbij het steeds moeilijker wordt om de standaardverliezen bij FR4 in de hand te houden.
Laminaat met lage verliescoëfficiënt biedt:
- Lagere dissipatiefactor
- Verbeterde signaalkwaliteit
- Verminderd toevoegingsverlies
- Betere impedantieconsistentie
Ze worden op grote schaal gebruikt in:
- Apparatuur voor datacenters
- Snelle netwerken
- AI-servers
- Telecommunicatie-infrastructuur
Deze materialen vormen een brug tussen standaard FR4 en gespecialiseerde RF-laminaten.
PTFE- en RF-laminaten
Voor RF- en microgolftoepassingen zijn materialen nodig met uiterst stabiele diëlektrische eigenschappen.
Laminaten op basis van PTFE bieden:
- Zeer laag diëlektrisch verlies
- Stabiele diëlektrische constante
- Uitstekende prestaties bij hoge frequenties
Gebruikelijke toepassingen zijn onder andere:
- Radarsystemen
- Satellietcommunicatie
- RF-versterkers
- Antennecircuits
De materialen van Rogers en Taconic behoren tot de meest gerenommeerde oplossingen in deze categorie.
Deze materialen zullen nader worden besproken in komende artikelen over Rogers-laminaten en PTFE-printplaatmaterialen.
Polyimide-laminaten
Polyimidelaminaten zijn ontworpen voor omgevingen waarin thermische prestaties en flexibiliteit van cruciaal belang zijn.
De voordelen zijn onder andere:
- Geschikt voor hoge bedrijfstemperaturen
- Uitstekende chemische bestendigheid
- Goede maatvastheid
- Lange levensduur
Ze worden vaak gebruikt in:
- Ruimtevaart elektronica
- Militaire systemen
- Flexibele circuits
- Medische apparatuur
In vergelijking met FR4 bieden polyimidematerialen over het algemeen een hogere betrouwbaarheid onder extreme omstandigheden.
Laminaten op keramische basis
Met keramiek gevulde laminaten bieden een betere warmtegeleiding en betere elektrische eigenschappen.
Toepassingen zijn onder andere:
- Krachtige elektronica
- RF-systemen
- Vermogensmodules voor de automobielindustrie
- LED-verlichting
Keramische materialen zijn vooral interessant wanneer warmteafvoer een beperkende factor bij het ontwerp vormt.
Hoe de keuze van het laminaat de prestaties van een printplaat beïnvloedt
Het laminaat is van invloed op verschillende cruciale ontwerpparameters.
Signaalintegriteit
De diëlektrische constante en de verliesfactor hebben een directe invloed op de signaalkwaliteit.
Thermische betrouwbaarheid
De materiaalstabiliteit bepaalt hoe de plaat zich gedraagt onder thermische belasting.
Productieopbrengst
Voor bepaalde materialen zijn gespecialiseerde boor-, lamineer- en verwerkingsprocessen nodig.
Kosten
De materiaalkeuze is vaak een van de belangrijkste factoren die de totale productiekosten van printplaten bepalen.
Het duurste materiaal is niet altijd de beste keuze. Het gaat erom de prestaties van het materiaal af te stemmen op de daadwerkelijke toepassingsvereisten.
Het juiste laminaat kiezen
De materiaalkeuze moet worden gebaseerd op technische eisen en niet op marketingspecificaties.
Vragen die in overweging moeten worden genomen, zijn onder meer:
- Op welke werkfrequentie zal de schakeling werken?
- Aan welke temperaturen zal de printplaat worden blootgesteld?
- Is impedantieregeling nodig?
- Hoeveel assemblagecycli worden er verwacht?
- Wat is de beoogde levensduur van het product?
Door deze vragen in een vroeg stadium te beantwoorden, kunnen onnodige materiaalkosten worden voorkomen en blijft de betrouwbaarheid gewaarborgd.
FAQ
A: Bij de productie van printplaten worden deze termen vaak door elkaar gebruikt. Technisch gezien verwijst ‘laminaat’ naar het composietmateriaal zelf, terwijl ‘substraat’ verwijst naar de rol ervan als basismateriaal van de printplaat.
A: Ja. FR4 is het meest gebruikte laminaat bij de productie van printplaten.
A: Materialen op basis van PTFE en gespecialiseerde RF-laminaten, zoals Rogers, worden vaak gebruikt voor hoogfrequente toepassingen.
A: Ze verminderen signaalverlies en dragen bij aan het behoud van de signaalintegriteit in digitale en RF-ontwerpen met hoge snelheden.
A: Nee. Bij veel meerlaagse printplaten worden verschillende laminaatsystemen gecombineerd om aan specifieke elektrische, thermische en kostendoelstellingen te voldoen.