Welke materialen worden gebruikt bij de productie van printplaten?

Printplaten worden vervaardigd met behulp van een combinatie van diëlektrische substraten, koperfolie, prepregs, soldeermaskers en oppervlakteafwerkingen. De materiaalkeuze heeft een directe invloed op de elektrische prestaties, thermische stabiliteit, mechanische sterkte en betrouwbaarheid op lange termijn.

Hoewel FR4 nog steeds het meest gebruikte substraat is, zijn voor veel toepassingen gespecialiseerde materialen nodig om te voldoen aan strengere eisen op het gebied van frequentie, temperatuur of thermische geleidbaarheid. Inzicht in de rol van elk materiaal helpt ingenieurs bij het kiezen van de meest geschikte materiaalopbouw voor een specifiek ontwerp.

Materialen voor printplaatdragers

Het substraat vormt de structurele basis van de printplaat. Het biedt mechanische ondersteuning en zorgt voor elektrische isolatie tussen de geleidende lagen.

Bij de productie van printplaten worden doorgaans verschillende substraatsystemen gebruikt.

FR4

FR4 is het standaardmateriaal in de sector voor de meeste commerciële en industriële elektronica. Het bestaat uit geweven glasvezel in combinatie met epoxyhars en biedt goede elektrische eigenschappen en een gunstige prijs-kwaliteitverhouding.

Typische toepassingen zijn onder andere:

• Consumentenelektronica ~4,3-4,8)
• Industriële besturingen
• Communicatieapparatuur
• Automobielmodules

Voor standaard meerlaagse printplaten biedt FR4 een goede balans tussen prestaties en productiekosten.

FR4 met hoge TG

Materialen met een hoge glasovergangstemperatuur (TG) hebben de voorkeur wanneer printplaten worden blootgesteld aan hoge temperaturen of aan meerdere loodvrije soldeercycli.

Laminaten met een hoge TG-waarde worden vaak gebruikt in:

• Automobielelektronica
• Voedingen
• Servers
• Industriële besturingssystemen

In vergelijking met standaard FR4 vertonen materialen met een hoge TG een betere maatvastheid en vochtbestendigheid.

Hoogfrequent materialen

Voor RF- en microgolftoepassingen zijn vaak materialen nodig met een geringe variatie in de diëlektrische constante en een lage dissipatiefactor.

Veelvoorkomende voorbeelden zijn onder meer:

• Rogers laminaat
• Materialen op basis van PTFE
• Taconic-materialen
• Panasonic Megtron serie

Deze materialen worden op grote schaal gebruikt in:

• Radarsystemen
• 5G-communicatieapparatuur
• Satellietelektronica
• Producten voor hogesnelheidsnetwerken

Polyimidematerialen

Polyimidematerialen bieden een uitstekende hittebestendigheid en flexibiliteit. Ze worden vaak gebruikt in flexibele en rigid-flex printplaten.

Typische sectoren zijn onder meer:

• Ruimtevaart
• Medische elektronica
• Draagbare apparaten
• Militaire systemen

Polyimide-printplaten zijn bestand tegen zware omstandigheden waarin conventioneel FR4 wellicht niet geschikt is.

Materialen voor metaalkernen

Printplaten met een metalen kern maken gebruik van een basis van aluminium of koper om de warmteafvoer te verbeteren.

Ze worden vaak gebruikt voor:

• LED-verlichting
• Stroomomvormers
• Autoverlichting
• Toepassingen met hoge stroomsterkte

Printplaten met een aluminiumkern blijven de meest gangbare oplossing vanwege de goede balans tussen thermische prestaties en productiekosten.

Koperfolie

Koperfolie vormt de geleidende banen die elektrische signalen en stroom door de printplaat leiden.

Veelgebruikte koperen gewichten zijn onder meer:

Dikker koper verbetert het stroomvoerend vermogen, maar heeft ook invloed op de afstand tussen de sporen en de etstoleranties.

Zware koperen constructies worden vaak gebruikt in vermogenselektronica en industriële apparatuur.

Kern- en prepregmaterialen

Meerlaagse printplaten worden vervaardigd met behulp van kernen en prepregs.

Kernmateriaal

Een kern bestaat uit uitgehard laminaat met aan beide zijden koperfolie. Deze zorgt voor stijfheid en bepaalt de laagdikte.

Prepreg

Prepreg bestaat uit gedeeltelijk uitgeharde hars, versterkt met glasvezeldoek. Tijdens het lamineren worden meerdere lagen door middel van warmte en druk met elkaar verbonden.

De combinatie van kernmateriaal en prepreg is bepalend voor:

• Plaatdikte
• Impedantieregeling
• Mechanische stabiliteit
• Afstand tussen lagen

Een juiste materiaalkeuze is essentieel voor ontwerpen voor hoge snelheden en structuren met geregelde impedantie.

Soldeermasker

Het soldeermasker beschermt de koperen sporen tegen oxidatie en voorkomt soldeerbruggen tijdens de assemblage.

Groen blijft de meest voorkomende kleur, hoewel zwart, wit, blauw en rood ook op grote schaal verkrijgbaar zijn.

Naast het uiterlijk zorgen soldeermaskers ook voor:

• Oppervlakte-isolatie
• Vochtbestendigheid
• Chemische weerstand
• Betrouwbaarheid tijdens de montage

Materialen voor oppervlakteafwerking

Oppervlakteafwerkingen beschermen blootliggende koperen contactvlakken en zorgen ervoor dat ze goed te solderen zijn.

Veel voorkomende afwerkingen zijn onder meer:

ENIG

Chemisch nikkel met onderdompelingsgoud biedt een uitstekende vlakheid en corrosiebestendigheid, waardoor het geschikt is voor componenten met een fijne pitch en BGA-behuizingen.

HASL

Solderen met hete lucht blijft een kosteneffectieve optie voor conventionele assemblages.

Dompelblik

Tin met een hoge zuiverheidsgraad zorgt voor een goede soldeerbaarheid en wordt vaak gebruikt in communicatie- en industriële producten.

OSP

Organisch soldeerbaarheidsconserveringsmiddel wordt vanwege de lage kosten vaak gekozen voor consumentenelektronica die in grote hoeveelheden wordt geproduceerd.

De materiaalkeuze hangt af van de toepassing

Verschillende toepassingen stellen verschillende eisen aan printplaatmaterialen.

Bij de materiaalkeuze moet met verschillende factoren tegelijk rekening worden gehouden:

• Werkfrequentie
• Thermische vereisten
• Mechanische spanning
• Montageproces
• Kostenstreefcijfer
• Betrouwbaarheid op lange termijn

Door de juiste combinatie van substraat, koperfolie, prepreg, soldeermasker en oppervlakteafwerking te kiezen, wordt een stabiele prestatie gedurende de gehele levenscyclus van het product gewaarborgd.

FAQ