Vad är en Styvt kretskort och hur tillverkas det?
Styvt kretskort (PCB) är ett kretskort baserat på ett styvt substrat, med en stabil mekanisk struktur och utmärkta elektriska egenskaper. Det används ofta i datorer, kommunikationsutrustning, industriell styrning och konsumentelektronik, där det ger tillförlitliga elektriska anslutningar och fysiskt stöd för elektroniska komponenter.
1. Egenskaper och fördelar med styva kretskort
Styva kretskort används främst för glasförstärkt epoxilaminat (såsom FR-4, CEM-3) som basmaterial, tillverkade genom processer som laminering, mönsteröverföring och etsning. Deras viktigaste egenskaper är:
- Hög mekanisk hållfasthet: Det styva substratet erbjuder hög motståndskraft mot böjning och vibrationer, vilket gör det lämpligt för fasta installationer.
- Utmärkt elektrisk prestanda: Stabil dielektricitetskonstant och låg signalöverföringsförlust, stödjer högfrekventa och höghastighetsapplikationer.
- God termisk stabilitet: Värmebeständig med en glasövergångstemperatur (Tg) som normalt ligger över 140 °C.
- Hög kabeldensitet: Stöder flerskiktskonstruktioner (vanligtvis 4–12 skikt), vilket möjliggör komplexa kretslayouter.
Jämfört med flexibla kretskort (Flex PCBs) är styva kretskort billigare och har mer utvecklad tillverkningsprocess, men de är mindre flexibla och lätta. Tabellen nedan jämför de två typernas huvudsakliga egenskaper:
| Funktion | Styvt kretskort | Flexibel kretskort |
|---|
| Substrattyp | FR-4, CEM-3, etc. | Polyimid (PI), PET |
| Flexibilitet | Ingen | Böjbar och vikbar |
| Vikt | Tyngre | Lätt (90 % lättare än styv) |
| Kostnad | Låg (fördel vid massproduktion) | Högre |
| Tillämpningar | Moderkort, strömmoduler | Bärbara enheter, vikbara skärmar |
2. Tillverkningsprocess för styva kretskort
Tillverkningen av styva kretskort är en flerstegsprocess med hög precision, som huvudsakligen består av följande steg:
- Tillverkning av inre lagerkretsar
- Skärning: Kopparpläterat laminat skärs till önskade mått med en noggrannhet på ±0,1 mm.
- Filmlaminering och exponering: Ljus känslig torrfilm appliceras och kretsmönster överförs via UV-exponering.
- Utveckling och etsning: Oexponerad torrfilm och koppar avlägsnas för att bilda ledande kretsar.
- AOI Inspektion: Automatiserad optisk inspektion kontrollerar parametrar som linjebredd och avstånd.
- Brun oxidation: Förbättra vidhäftningen mellan inre kopparskikt och prepreg.
- Lagerstapling och pressning: Flera lager pressas samman under hög temperatur (180–200 °C) och tryck (300–400 psi).
- Borrning och metallisering
- Mekanisk/laserborrning: Skapar genomgående hål, blindvia eller begravda via.
- Kopparavlagring och plätering: Kemiskt avsatt och elektropläterad koppar metalliserar hålväggarna för mellanlageranslutningar.
- Yttre lagerkrets och ytfinish
- Mönsteröverföring: Laser Direct Imaging (LDI)-tekniken skapar kretsar i det yttre skiktet.
- Lödmask och silkscreen: Lödresistfärg appliceras och komponentmärkningar trycks.
- Ytfinish: Processer som HASL, ENIG eller OSP väljs utifrån applikationens behov.
- Elektrisk provning: Kontinuitet testad med flygande sond eller spikbäddstest.
- Validering av tillförlitlighet: Inkluderar termisk cykling, testning vid hög temperatur/fuktighet, impedanstestning etc.
3. Hur kan man förbättra tillförlitligheten hos styva kretskort?
För att förbättra tillförlitligheten hos styva kretskort i tuffa miljöer krävs systematisk optimering av material, design, tillverkning och testprocesser:
- För högfrekventa tillämpningar, använd PTFE-substrat (Dk≈3,0, Df<0,005).
- För miljöer med höga temperaturer (t.ex. fordonselektronik) ska följande användas hög-Tg FR-4 (Tg≥170 °C).
- För värmeavledningsbehov, använd metallbaserade substrat (värmeledningsförmåga för aluminiumkärna 1–3 W/m·K).
- Design för jordning: Använd flerpunktsjordning för högfrekventa kretsar och enpunktsjordning för lågfrekventa kretsar.
- Termisk hantering: Lägg till termiska genomgångar, använd tjock kopparfolie (≥2 oz).
- Signalintegritet: Kontrollera impedansavvikelsen inom ±10 %, linjebreddstolerans ±0,05 mm.
- Lamineringsprocess: Vakuumpressning minskar bubblor mellan skikten.
- Borrnoggrannhet: Hålpositionsfel ≤50μm, bildförhållande ≤8:1.
- Lödningsprocess: Använd blyfritt lod SAC305, reflow-topp temperatur 245 °C ± 5 °C.
- Följ branschstandarder som IPC-6012 och IPC-A-600.
- Genomför miljöbelastningstestning (ESS), t.ex. 1000 termiska cykler (-40 °C till 125 °C).
4. Styv PCB kontra flexibel PCB: Hur väljer man?
| Övervägande | Lämplig för styva kretskort | Lämplig för flexibla kretskort |
|---|
| Mekanisk miljö | Fast installation, höga vibrationer | Böjbar, dynamisk vikning |
| Kostnadskänslighet | Massproduktion, kostnadskontrollerad | Produkter med låg volym och högt värde |
| Utrymmesbegränsningar | Tillräckligt med utrymme | Trånga eller oregelbundna utrymmen |
| Värmeavledning | Högpresterande komponenter, aktiv kylning | Låg effekt, passiv kylning |
| Signalfrekvens | Hög frekvens/hastighet (>10 GHz) med specialmaterial | Allmän frekvens (<5 GHz) |
5. Användningsscenarier och rekommendationer för val
- Konsumentelektronik (moderkort, apparater): FR-4 föredras för låg kostnad och mogen process.
- Industriell kontroll (PLC, sensorer): Hög tillförlitlighet krävs; hög-Tg FR-4 eller flerskiktskort rekommenderas.
- Elektronik för fordonsindustrin (ECU, radar): Kräver hög temperaturbeständighet och vibrationsbeständighet; ett metallsubstrat eller ett keramiskt substrat är valfritt.
- Kommunikationsutrustning (5G-basstationer, RF-moduler): Högfrekventa applikationer kräver PTFE- eller Rogers-material.