Основные параметры печатных плат

Подробное объяснение ключевых параметров печатной платы

1. Параметры электрических характеристик

Электрические свойства печатной платы напрямую влияют на целостность сигнала, особенно в высокочастотных и высокоскоростных схемах.

• Диэлектрическая постоянная (Dk) - Измеряет способность материала накапливать электрическую энергию. Более низкие значения Dk (например, PTFE с Dk≈2,2) обеспечивают более быструю передачу сигнала, что делает их идеальными для приложений 5G и миллиметровых волн.
• Коэффициент диссипации (Df/Loss Tangent) - Указывает на потерю энергии сигнала. Высокочастотные приложения (например, радар, спутниковая связь) требуют Df < 0,005.
• Удельное сопротивление поверхности/объема - Высокое сопротивление изоляции (>10¹² Ω-см) предотвращает токи утечки, что очень важно для высоковольтных печатных плат (например, силовых модулей).
• Напряжение пробоя - Стандартная FR4 выдерживает ≥20 кВ/мм, а керамические подложки - до 50 кВ/мм.
• Контроль импеданса - Высокоскоростные печатные платы (например, DDR5, PCIe 6.0) требуют жесткого допуска по импедансу (±5%) для минимизации отражений сигнала.

2. Параметры тепловых характеристик

Термостойкость печатной платы определяет ее надежность в условиях высоких температур, особенно при бессвинцовой пайке и долговременной стабильности.

• Температура стеклования (Tg) - Стандартный FR4 имеет Tg≈130°C, а печатные платы с высоким Tg (Tg≥170°C) используются в автомобильной и военной электронике.
• Температура термического разложения (Td) - Для бессвинцовой пайки предпочтительны материалы с Td > 325°C (например, Isola 370HR).
• Теплопроводность - FR4 обладает низкой теплопроводностью (~0,3 Вт/м-К), в то время как теплопроводность печатных плат с металлическим сердечником (например, алюминиевых) может достигать 10 Вт/м-К, что делает их идеальными для охлаждения светодиодов.
• Коэффициент теплового расширения (CTE) - Для предотвращения расслоения в многослойных печатных платах CTE по оси Z должен быть <50 ppm/°C (для подложек ИС требуется CTE≈6 ppm/°C).

3. Параметры механических характеристик

Механическая прочность влияет на процессы сборки и долговечность.

• Прочность на изгиб - Стандартный FR4 находится в диапазоне 400-600 МПа, в то время как гибкие печатные платы (полиимид) требуют >200 МПа.
• Сила пилинга - Адгезия меди должна превышать 1,0 Н/мм (стандарт IPC), чтобы предотвратить отслоение фольги во время пайки.
• Поглощение воды - Низкое поглощение влаги (<0,2%) предотвращает образование волдырей; высокочастотные ламинаты обычно поддерживают уровень <0,1%.

4. Структурные характеристики

Точность изготовления имеет решающее значение для Интерконнект высокой плотности (HDI) и миниатюрные конструкции.

• Допуск на толщину меди - Стандартная медь весом 1 унция имеет допуск ±10%, в то время как для прецизионных схем требуется ±5%.
• Точность послойной регистрации - Печатные платы HDI требуют выравнивания <25 мкм, в то время как стандартные многослойные платы допускают выравнивание <50 мкм.
• Минимальная трасса/пространство (L/S) - Для стандартных печатных плат используется 0,1 мм/0,1 мм, в то время как современные подложки для ИС достигают 20 мкм/20 мкм.

5. Метрики тестирования надежности

ПХБ должны пройти строгие испытания для обеспечения долгосрочной стабильности.

• Сопротивление проводящей анодной нити (CAF) - Оценивает риск короткого замыкания в условиях повышенной влажности (85°C/85% RH в течение 1000 часов).
• Сопротивление изоляции поверхности (SIR) - Должно превышать 10⁸ Ω (согласно стандартам JIS).
• Испытание на термоциклирование - Выдерживает 100 циклов (от -55°C до 125°C) без растрескивания (для автомобильных печатных плат требуются более жесткие испытания).

6. Соблюдение экологических и технологических норм

Экологические нормы (например, RoHS, REACH) стимулируют развитие материалов для печатных плат.

• Сравнительный индекс отслеживания (CTI) - Для медицинских приборов требуется класс 3 (400-600 В), а для промышленных систем управления - класс 2.
• Безгалогенные - Содержание хлора/брома должно быть <900 ppm для снижения токсичных выбросов.
• Огнестойкость (UL94) - V-0 - наивысший рейтинг, обязательный для применения в аэрокосмической отрасли.

Классификация и выбор печатных плат

1. Распространенные материалы для печатных плат

• Пт4 (фр.) - Стандартный эпоксидно-стеклянный ламинат для бытовой электроники.
• CEM-3 - Композитная подложка, экономически эффективная для простых двухсторонних печатных плат.
• ПХБ с высоким содержанием ТГ (Tg≥170°C) - Термостойкие для использования в автомобильной и военной промышленности.
• Высокочастотные ламинаты (например, Rogers RO4003C) - Низкое значение Dk/Df для приложений 5G/радаров.
• Печатные платы с металлическим сердечником (Алюминий/медь) - Отличная терморегуляция для светодиодов и силовых модулей.

2. Сравнение классов материалов печатных плат

3. Как выбрать подходящий материал для печатной платы?

• Высокочастотные приложения → Материалы с низким содержанием Dk/Df (Rogers, Taconic).
• Высокотемпературные среды → Материалы с высокой ТГ (≥170°C) или высокой ТД (>325°C).
• Мощный теплоотвод → Металлический сердечник или FR4 с высокой теплопроводностью.
• Требования экологичности → Материалы, не содержащие галогенов и отвечающие требованиям RoHS.

Выбор параметров печатной платы напрямую влияет на производительность, надежность и стоимость изделия. Инженеры должны выбрать подходящие материалы для плат (например, FR4, CEM-3, PCB с высоким Tg и т. д.) в зависимости от сценария применения (например, высокочастотные, высокотемпературные, мощные) и оптимизировать конструкцию для улучшения целостности сигнала, возможностей рассеивания тепла и механической прочности.