Жесткая печатная плата (PCB) — это печатная плата на основе жесткой подложки, отличающаяся стабильной механической структурой и превосходными электрическими характеристиками. Она широко используется в компьютерах, коммуникационном оборудовании, промышленном управлении и бытовой электронике, обеспечивая надежные электрические соединения и физическую поддержку электронных компонентов.
1. Характеристики и преимущества жестких печатных плат
Жесткие печатные платы в основном используются стеклопластик (такие как FR-4, CEM-3) в качестве основного материала, изготовленные с помощью таких процессов, как ламинирование, перенос рисунка и травление. Их основные характеристики включают:
- Высокая механическая прочность: Жесткая подложка обладает высокой устойчивостью к изгибу и вибрации, подходит для стационарных установок.
- Отличные электрические характеристики: Стабильная диэлектрическая проницаемость и низкие потери при передаче сигнала, поддержка высокочастотных и высокоскоростных приложений.
- Хорошая термостойкость: Термостойкий, с температурой стеклования (Tg) обычно выше 140 °C.
- Высокая плотность проводки: Поддерживает многослойные конструкции (обычно 4–12 слоев), что позволяет создавать сложные схемы.
По сравнению с гибкими печатными платами (Flex PCBs), жесткие печатные платы имеют более низкую стоимость и более отработанные процессы производства, но они менее гибкие и легкие. В таблице ниже сравниваются основные характеристики двух типов:
| Характеристика | Жесткая печатная плата | Гибкая печатная плата |
|---|
| Тип подложки | FR-4, CEM-3 и т. д. | Полиимид (PI), ПЭТ |
| 3. Гибкость | Нет | Гибкий и складной |
| Вес (кг) | Тяжелее | Легкий (на 90 % легче, чем жесткий) |
| Расходы по проекту | Низкая (преимущество при массовом производстве) | Выше |
| Приложения | Материнские платы, модули питания | Носимые устройства, складные экраны |
2. Процесс изготовления жестких печатных плат
Изготовление жестких печатных плат — это многоэтапный высокоточный процесс, который в основном состоит из следующих этапов:
- Производство внутренних слоев схемы
- Резка: Ламинат с медным покрытием разрезается до проектных размеров с точностью ±0,1 мм.
- Ламинирование и экспонирование пленки: Наносится светочувствительная сухая пленка, а схемы переносятся с помощью УФ-облучения.
- Разработка и травление: Неэкспонированная сухая пленка и медь удаляются для формирования проводящих цепей.
- Инспекция AOI: Автоматизированный оптический контроль проверяет такие параметры, как ширина линии и расстояние между линиями.
- Ламинирование и прессование
- Коричневое окисление: Улучшить адгезию между внутренними медными слоями и препрегом.
- Укладка слоев и прессование: Несколько слоев спрессовываются при высокой температуре (180–200 °C) и давлении (300–400 фунтов на квадратный дюйм).
- Механическое/лазерное сверление: Создает сквозные отверстия, глухие переходные отверстия или погруженные переходные отверстия.
- Осаждение и гальваническое покрытие меди: Химически осажденная и гальванически нанесенная медь металлизирует стенки отверстий для межслойных соединений.
- Внешний слой схемы и отделка поверхности
- Перенос выкройки: Технология лазерной прямой печати (LDI) создает схемы внешнего слоя.
- Маска для пайки и шелкография: Наносится паяльная краска и печатаются маркировки компонентов.
- Отделка поверхности: Такие процессы, как HASL, ENIG или OSP, выбираются в зависимости от потребностей приложения.
- Электрические испытания: Проверка непрерывности с помощью летающего зонда или теста «кровать из гвоздей».
- Проверка надежности: Включает термоциклирование, испытания при высокой температуре/влажности, испытания импеданса и т. д.
3. Как повысить надежность жестких печатных плат?
Для повышения надежности жестких печатных плат в суровых условиях эксплуатации требуется системная оптимизация материалов, конструкции, производства и процессов испытаний:
- Для высокочастотных применений используйте PTFE-подложки (Dk≈3,0, Df<0,005).
- Для высокотемпературных сред (например, автомобильная электроника) используйте FR-4 с высокой температурой стеклования (Tg≥170°C).
- Для отвода тепла используйте металлические подложки (теплопроводность алюминиевого сердечника 1–3 Вт/м·К).
- Конструкция заземления: Используйте многоточечное заземление для высокочастотных цепей, одноточечное — для низкочастотных.
- Терморегулирование: Добавьте тепловые перемычки, используйте толстую медную фольгу (≥2 унции).
- Целостность сигнала: Отклонение импеданса в пределах ±10%, допуск по ширине линии ±0,05 мм.
- Процесс ламинирования: Вакуумное прессование уменьшает количество пузырьков между слоями.
- Точность сверления: Погрешность положения отверстия ≤50 мкм, соотношение сторон ≤8:1.
- Процесс пайки: Используйте бессвинцовый припой SAC305, пиковая температура оплавления 245 °C ± 5 °C.
- Следуйте отраслевым стандартам, таким как IPC-6012 и IPC-A-600.
- Провести экологическое стресс-тестирование (ESS), например, 1000 термических циклов (от -40 °C до 125 °C).
4. Жесткая печатная плата или гибкая печатная плата: как выбрать?
| Рассмотрение | Подходит для жестких печатных плат | Подходит для гибких печатных плат |
|---|
| Механическая среда | Стационарная установка, высокая вибрация | Гибкая, динамичная складная конструкция |
| Чувствительность к затратам | Массовое производство, контроль затрат | Продукты с низким объемом продаж и высокой стоимостью |
| Ограничения по площади | Достаточное пространство | Ограниченные или нестандартные пространства |
| Рассеивание тепла | Компоненты высокой мощности, активное охлаждение | Низкое энергопотребление, пассивное охлаждение |
| Частота сигнала | Высокая частота/скорость (>10 ГГц) со специальными материалами | Общая частота (<5 ГГц) |
5. Сценарии применения и рекомендации по выбору
- Потребительская электроника (материнские платы, бытовая техника): FR-4 предпочтительнее из-за низкой стоимости и отработанного технологического процесса.
- Промышленный контроль (ПЛК, датчики): требуется высокая надежность; рекомендуются высокотемпературные FR-4 или многослойные платы.
- Автомобильная электроника (ЭБУ, радар): Требуется высокая термостойкость и виброустойчивость; металлическая или керамическая подложка — по выбору.
- Оборудование связи (базовые станции 5G, РЧ-модули): для высокочастотных приложений требуются материалы из ПТФЭ или Rogers.