Wat is een Stijve PCB en hoe wordt het vervaardigd?
Een stijve printplaat (PCB) is een printplaat op basis van een stijve drager, met een stabiele mechanische structuur en uitstekende elektrische prestaties. Deze wordt veel gebruikt in computers, communicatieapparatuur, industriële besturingen en consumentenelektronica, en biedt betrouwbare elektrische verbindingen en fysieke ondersteuning voor elektronische componenten.
1. Kenmerken en voordelen van stijve printplaten
Stijve printplaten worden voornamelijk gebruikt voor glasvezelversterkt epoxylaminaat (zoals FR-4, CEM-3) als basismateriaal, vervaardigd door middel van processen zoals lamineren, patroonoverdracht en etsen. Hun belangrijkste kenmerken zijn:
- Hoge mechanische sterkte: Het stijve substraat biedt een hoge weerstand tegen buigen en trillingen en is geschikt voor vaste installaties.
- Uitstekende elektrische prestaties: Stabiele diëlektrische constante en laag signaalverlies, geschikt voor hoogfrequente en hogesnelheidstoepassingen.
- Goede thermische stabiliteit: Hittebestendig met een glasovergangstemperatuur (Tg) die doorgaans hoger is dan 140 °C.
- Hoge bedradingsdichtheidOndersteunt meerlaagse ontwerpen (meestal 4-12 lagen), waardoor complexe circuitlay-outs mogelijk zijn.
In vergelijking met flexibele printplaten (Flex PCB's) zijn stijve printplaten goedkoper en hebben ze een meer volwassen productieproces, maar ze zijn minder flexibel en lichtgewicht. In de onderstaande tabel worden de belangrijkste kenmerken van beide typen met elkaar vergeleken:
| Functie | Stijve PCB | Flexibele PCB |
|---|
| Type substraat | FR-4, CEM-3, enz. | Polyimide (PI), PET |
| Flexibiliteit | None | Buigzaam en opvouwbaar |
| Gewicht | Zwaarder | Licht (90% lichter dan hard) |
| Kosten | Laag (voordeel bij massaproductie) | Hoger |
| Toepassingen | Moederborden, voedingsmodules | Draagbare apparaten, opvouwbare schermen |
2. Productieproces van stijve printplaten
De productie van stijve printplaten is een meerstapsproces dat hoge precisie vereist en hoofdzakelijk uit de volgende fasen bestaat:
- Productie van binnenste laagcircuits
- Snijden: Koperbekleed laminaat wordt op maat gesneden met een nauwkeurigheid van ±0,1 mm.
- Film lamineren en belichten: Er wordt een lichtgevoelige droge film aangebracht en de circuitpatronen worden overgebracht door middel van blootstelling aan UV-licht.
- Ontwikkeling en etsen: Niet-belichte droge film en koper worden verwijderd om geleidende circuits te vormen.
- AOI inspectie: Geautomatiseerde optische inspectie controleert parameters zoals lijnbreedte en afstand.
- Bruine oxidatieVerbeter de hechting tussen de binnenste koperlagen en prepreg.
- Lagen stapelen en persen: Meerdere lagen worden onder hoge temperatuur (180–200 °C) en druk (300–400 psi) op elkaar geperst.
- Mechanisch/laserboren: Maakt doorlopende gaten, blinde via's of begraven via's.
- Koperdepositie en beplating: Chemisch afgezet en gegalvaniseerd koper metalliseert de wanden van de gaten voor verbindingen tussen de lagen.
- Buitenste laag circuit en oppervlakteafwerking
- PatroonoverdrachtLaser Direct Imaging (LDI)-technologie creëert circuits in de buitenste laag.
- Soldeermasker en zeefdruk: Er wordt soldeerresist-inkt aangebracht en er worden componentmarkeringen gedrukt.
- Afwerking oppervlak: Processen zoals HASL, ENIG of OSP worden gekozen op basis van de behoeften van de toepassing.
- Elektrische testen: Continuïteit getest via flying probe of bed-of-nails-test.
- Betrouwbaarheidsvalidatie: Omvat thermische cycli, testen bij hoge temperaturen/vochtigheid, impedantietesten, enz.
3. Hoe kan de betrouwbaarheid van stijve printplaten worden verbeterd?
Om de betrouwbaarheid van stijve printplaten in veeleisende omgevingen te verbeteren, is een systematische optimalisatie van materialen, ontwerp, productie en testprocessen vereist:
- Gebruik voor hoogfrequente toepassingen PTFE-substraten (Dk≈3,0, Df<0,005).
- Gebruik voor omgevingen met hoge temperaturen (bijv. auto-elektronica) FR-4 met hoge Tg (Tg≥170 °C).
- Gebruik voor warmteafvoer metalen kernsubstraten (thermische geleidbaarheid van aluminiumkern 1–3 W/m·K).
- Aardingsontwerp: Gebruik meerpuntsaarding voor hoogfrequente circuits en enkelpuntsaarding voor laagfrequente circuits.
- Thermisch beheer: Voeg thermische via's toe, gebruik dikke koperfolie (≥2 oz).
- Signaalintegriteit: Beperk de impedantieafwijking tot ±10%, tolerantie voor lijnbreedte ±0,05 mm.
- Lamineerproces: Vacuümpressen vermindert luchtbellen tussen de lagen.
- Boornauwkeurigheid: Fout in gatpositie ≤50μm, aspectratio ≤8:1.
- Soldeerproces: Gebruik loodvrij soldeersel SAC305, reflow-piek temperatuur 245 °C ± 5 °C.
- Volg industrienormen zoals IPC-6012 en IPC-A-600.
- Voer een milieustressscreening (ESS) uit, bijvoorbeeld 1000 thermische cycli (-40 °C tot 125 °C).
4. Stijve PCB versus flexibele PCB: hoe te kiezen?
| Overweging | Geschikt voor stijve printplaten | Geschikt voor flexibele printplaten |
|---|
| Mechanische omgeving | Vaste installatie, hoge trillingen | Buigzaam, dynamisch vouwbaar |
| Kostengevoeligheid | Massaproductie, kostenbeheersing | Producten met een laag volume en een hoge waarde |
| Ruimtebeperkingen | Voldoende ruimte | Beperkte of onregelmatige ruimtes |
| Warmteafvoer | Krachtige componenten, actieve koeling | Laag vermogen, passieve koeling |
| Signaalfrequentie | Hoge frequentie/snelheid (>10 GHz) met speciale materialen | Algemene frequentie (<5 GHz) |
5. Toepassingsscenario's en selectieaanbevelingen
- Consumentenelektronica (moederborden, apparaten): FR-4 heeft de voorkeur vanwege de lage kosten en het volwassen proces.
- Industriële besturing (PLC's, sensoren): Hoge betrouwbaarheid vereist; FR-4 met hoge Tg of meerlaagse printplaten aanbevolen.
- Automobielelektronica (ECU's, radar): Vereist hoge temperatuurbestendigheid en trillingsbestendigheid; een metalen substraat of een keramisch substraat is optioneel.
- Communicatieapparatuur (5G-basisstations, RF-modules): Voor hoogfrequente toepassingen zijn PTFE- of Rogers-materialen nodig.