PCB-alustan materiaali

Kun valmistaudutaan uuteen PCB-projektiin, substraatin valinta on usein aliarvioitu mutta kriittisin vaihe.Aivan kuten oikean perustan valitseminen ennen talon rakentamista, piirilevyn substraatti vaikuttaa suoraan levyn suorituskykyyn, luotettavuuteen ja kustannuksiin.Tässä artikkelissa syvennytään PCB-alustan valintaan liittyviin tärkeimpiin näkökohtiin ja vastataan viiteen yleiseen alustaan liittyvään kysymykseen, joita insinöörit usein kohtaavat.N/OFF)

Miksi PCB-alustan valinta on niin tärkeää?N/OFF)

Kuvittele, että suunnittelet suorituskykyistä älykelloa.Väärän alustan valinta voi johtaa signaalin vääristymiseen, lisääntyneeseen virrankulutukseen tai jopa halkeiluun jo muutaman kuukauden käytön jälkeen. Siksi piirilevyn substraatin ominaisuuksien ymmärtäminen on ratkaisevan tärkeää.N/OFF)

Piirilevyn substraatti ei ole vain “kantaja” elektronisille komponenteille - se vaikuttaa suoraan: N/OFF)

• Signaalin lähetyksen laatuN/OFF)
• LämmönhallintakykyN/OFF)
• Mekaaninen lujuusN/OFF)
• Ympäristön mukautuvuusN/OFF)
• TuotantokustannuksetN/OFF)

PCB-substraattien päätyypit ja niiden sovelluksetN/OFF)

FR-4: elektroniikkateollisuuden “monipuolinen työjuhta”N/OFF)

FR-4 (lasikuituvahvisteinen epoksihartsi) on piirilevymaailman “ leipä ja voi” ja sen osuus on noin 80 prosenttia markkinaosuudesta. Kokemukseni mukaan yli 90 % kulutuselektroniikasta käyttää tätä materiaalia.N/OFF).

Edut:

• Erinomainen kustannustehokkuus (30-50 % halvempi kuin muut korkean suorituskyvyn materiaalit)N/OFF)
• Hyvä mekaaninen lujuus ja eristysominaisuudetN/OFF)
• Kypsä käsittelytekniikkaN/OFF)

HaitatN/OFF):

• Keskimääräinen korkean taajuuden suorituskyky (dielektrisyysvakio ~4,3-4,8)N/OFF)
• Rajoitettu korkean lämpötilan kestävyys (tyypillisesti noin 150 °C)N/OFF)

Sovellukset: Useimmat kuluttajaelektroniikan, teollisuuden ohjauskortit, LED-valaistus jne.N/OFF)

Valinta TipN/OFF): Erottele toisistaan tavallinen FR-4 ja korkean Tg:n FR-4. Jos levysi vaatii lyijytöntä juottamista (korkeammat lämpötilat), valitse malli, jonka Tg≥170°C.N/OFF).

Polyimidi (PI): Joustavien piirien kuningasN/OFF)

Kun suunnittelusi vaatii taivuttamista tai taittamista, polyimidialustat tulevat kyseeseen.Työskentelin puettavan terveysseurantalaitteen parissa, jossa PI:n joustavien ominaisuuksien ansiosta pystyimme integroimaan piirit rannekkeeseen.N/OFF)

Edut:

• Erinomainen joustavuus (voi taipua tuhansia kertoja ilman vikaa)N/OFF)
• Korkean lämpötilan kestävyys (kestää yli 300 °C)N/OFF)
• Erinomainen kemiallinen vakausN/OFF)

HaitatN/OFF):

• Korkeat kustannukset (3-5 kertaa kalliimpi kuin FR-4)N/OFF)
• Vaikea käsitelläN/OFF)

Sovellukset: Joustavat piirit, ilmailuelektroniikka, lääketieteelliset implantit jne.N/OFF)

Valinta TipN/OFF)Tee ero liimautuvien ja ei-liimautuvien PI-alustojen välillä. Edellinen on halvempi, mutta sen suorituskyky korkeissa lämpötiloissa on huonompi, kun taas jälkimmäinen on päinvastainen. N/OFF)

Korkean taajuuden erikoismateriaalit:Kun signaalin nopeus on kriittinenN/OFF)

Suurtaajuussovelluksissa, kuten 5G-tukiasemissa ja tutkajärjestelmissä, tavallinen FR-4 aiheuttaa merkittäviä signaalihäviöitä.Näissä tapauksissa kannattaa harkita suurtaajuusmateriaaleja, kuten Rogers RO4000-sarjaa tai Taconic TLY-sarjaa.N/OFF)

Keskeiset parametrit:

• Dielektrisyysvakio (Dk):2,2-3,5 on ihanteellinen)N/OFF).
• Häviökerroin (Df):<0,004 on ihanteellinen)N/OFF)

Kustannusten huomioon ottaminenN/OFF): Korkeataajuusmateriaalit voivat maksaa 10-20 kertaa enemmän kuin FR-4, joten hybridimallit ovat yleisiä - kriittisissä signaalikerroksissa käytetään korkeataajuusmateriaaleja, kun taas muissa kerroksissa käytetään FR-4:ää.N/OFF).

Kuparifolion valinta:Se ei ole vain paksuudestaN/OFF)

Kuparifolio on piirilevyjen johtava ydinelementti.Huono valinta voi johtaa signaalin eheysongelmiin ja valmistusvirheisiin. Kokemukseni perusteella kuparifolio-ongelmien osuus on noin 15 % piirilevyjen vikatapauksista.N/OFF)

Elektrolyyttinen kuparifolio (ED) vs. valssattu kuparifolio (RA)N/OFF)

Elektrolyyttinen kuparifolio (ED)N/OFF):

• Alemmat tuotantokustannuksetN/OFF)
• Suurempi pinnankarheus (parempi kiinnittyminen alustaan)N/OFF)
• Soveltuu tavanomaisille monikerroslevyilleN/OFF)

Valssattu kuparifolio (RA)N/OFF):

• Tasaisempi pinta (vähentää korkeataajuisen signaalin häviämistä)N/OFF)
• Parempi joustavuusN/OFF)
• 20-30 % korkeammat kustannuksetN/OFF)

Käytännön neuvojaN/OFF): Yli 10 GHz:n piireissä etusijalle on asetettava valssattu kuparifolio; joustavissa piireissä on käytettävä valssattua kuparifoliota.N/OFF).

Kuparifolion paksuuden valintaopasN/OFF)

Yleiset kuparifolion paksuudet: N/OFF)

• 1/2 oz (18μm)
• 1 oz (35μm)
• 2 oz (70μm)

Nyrkkisääntö:

• Digitaaliset vakiopiirit: 1 oz
• Suuren virran virtapiirit: ≥2 oz
• Erittäin hienot jäljet (<4mil): 1/2 oz

Huomautus: Paksumpi kuparifolio tekee etsauksesta haastavampaa ja jäljen leveyden hallinnasta vaikeampaa.

Apumateriaaleja koskevat keskeiset näkökohdatN/OFF)

Juotosmaski: N/OFF)

Juotosmaskikerroksella on muutakin tehtävää kuin vain “näyttää kauniilta.” Törmäsin kerran tapaukseen, jossa halpa juotosmaskin muste aiheutti silloitusvirheitä eräjuottamisen aikana.

Valintapisteet:

• Nestemäinen valokuvauskelpoinen (LPI) vs. kuiva kalvojuotosmaski
• Värivalikoima: Musta johtaa paremmin lämpöä, mutta sitä on vaikeampi tarkastaa.
• Dielektrinen lujuus: ≥1000V/mil

Pintakäsittelyjen vertailuN/OFF)

Erilaiset pintakäsittelyt vaikuttavat suoraan juotoslaatuun ja pitkäaikaiseen luotettavuuteen:

Suositus: BGA-pakkauksissa on käytettävä ENIG:tä; korkeataajuisten signaalien tulisi suosia upotushopeaa; kustannusherkkien ja lyhyiden tuotantosyklien tulisi valita OSP.

Viisi keskeistä näkökohtaa PCB-alustan valintaanN/OFF)

• Sähköiset suorituskykyvaatimukset

• Operating frequency: >1GHz requires high-frequency materials
• Signaalin eheyttä koskevat vaatimukset
• Impedanssin säädön tarkkuus

• Mekaaniset ja ympäristövaatimukset

• Joustavan tai jäykän joustavan rakenteen tarve
• Käyttölämpötila-alue
• Tärinä/tärinäolosuhteet

• Lämmönhallinnan tarpeet

• Korkean lämmönjohtavuuden omaavien materiaalien tarve
• Lämpölaajenemiskertoimen (CTE) vastaavuus

• Kustannusrajoitukset

• Materiaalikustannukset
• Käsittelyn vaikeus
• Tuottovaikutus

• Toimitusketjuun liittyvät tekijät

• Materiaalin saatavuus
• Läpimenoaika
• Toimittajan tekninen tuki

PCB-alustan ongelmat ja ratkaisutN/OFF)

Kysymys 1: Miten tasapainottaa suurtaajuussuorituskyky ja kustannukset?N/OFF)

Q: 5G-piensoluhankkeemme edellyttää hyvää suurtaajuussuorituskykyä, mutta sen budjetti on rajallinen. Miten meidän pitäisi valita substraatti?

ATämä on klassinen kustannus-suorituskyky-vaihtokauppa.Suosittelen “hybrid stackup” -lähestymistapaa:

1. Käytä Rogers RO4350B:tä kriittisiin signaalikerroksiin (~10 kertaa kalliimpi kuin FR-4).
2. Käytä FR-4:ää muihin kerroksiin
3. Määritetään korkeataajuisten kerrosten vähimmäismäärä simuloimalla.

Eräs asiakas käytti hiljattain tätä lähestymistapaa ja alensi materiaalikustannuksia 40 prosenttia samalla, kun signaalihäviö kasvoi vain 5 prosenttia, mikä on hyvin hyväksyttävissä rajoissa.

Kysymys 2: Miten estää substraatin delaminaatio korkean lämpötilan juottamisen aikana?N/OFF)

Q: Tuotteessamme käytetään lyijyttömiä prosesseja, ja tuotannon aikana esiintyy usein substraatin delaminaatiota. Miten voimme ratkaista tämän?

ATämä on tyypillinen oire virheellisestä Tg-valinnasta.Ratkaisut:

1. Vahvista nykyisen FR-4:n Tg-arvo (standardi FR-4 on yleensä 130-140 °C).
2. Korkean Tg:n materiaalin päivitys (Tg≥170°C)
3. Optimoi reflow-juottolämpötilaprofiili
4. Harkitaan keskikokoisia Tg-materiaaleja siirtymäkauden ratkaisuna

Kustannusvaikutus: Korkean Tg-ominaisuuden omaavat materiaalit maksavat 15-20 % enemmän kuin tavallinen FR-4, mutta ne ovat paljon halvempia kuin romu- ja uudelleenkäsittelykustannukset.

Kysymys 3: Miten korjata?N/OFF)

QKannettavien laitteiden joustavat piirit katkeavat usein taivutuskohdista. Miten voimme parantaa tätä?

ATähän kysymykseen liittyy sekä materiaalin valinta että suunnittelun optimointi:

1. Siirtyminen ohuempiin polyimidisubstraatteihin (esim. 25μm 50μm:n sijaan)
2. Käytä rullattua kuparifoliota elektrolyyttisen kuparifolion sijasta.
3. Optimoi jäljen suunta taivutusalueilla (tee jäljet kohtisuoraan taivutuslinjoihin nähden).
4. Lisää stressinpoistorakenteita

Tapaustutkimus: Älykäs ranneke -projekti paransi taivutussyklin kestoa 5 000 syklistä 20 000 sykliin näiden muutosten ansiosta.

Numero 4: Kuinka ohjata impedanssia suurnopeuspiireissä?N/OFF)

QUSB 4.0 -suunnittelumme ylittää aina impedanssirajat. Miten voimme ratkaista tämän substraatin valinnalla?

AImpedanssin hallinta suurnopeuspiireissä edellyttää monipuolista lähestymistapaa:

1. Valitse materiaalit, joiden dielektrisyysvakio vaihtelee vähän (Dk-toleranssi, esim. ±0,05).
2. Käytä ohuempia substraatteja (vähentää dielektrisen paksuuden vaihtelun vaikutusta).
3. Tarkastellaan materiaaleja, joilla on kuparifolion karheustiedot
4. Yhteistyö PCB-valmistajien kanssa impedanssin esikompensointia varten

Testitiedot: Vaihtaminen Isola FR408HR:ään paransi impedanssin yhdenmukaisuutta 35 %.

Numero 5: Miten valita ympäristöystävälliset substraatit?N/OFF)

QTuotteemme viedään EU:hun. Miten varmistamme, että substraatit ovat ympäristömääräysten mukaisia?

AYmpäristövaatimusten noudattaminen vaatii huomiota kolmella tasolla:

1. Itse materiaali:Valitse halogeenittomat substraatit, jotka ovat RoHS- ja REACH-vaatimusten mukaisia.
2. Dokumentaatio:Vaaditaan toimittajia toimittamaan täydelliset materiaali-ilmoitukset (FMD).
3. Tuotantoprosessi:Varmista, että PCB-valmistajilla on vankat ympäristönvalvontajärjestelmät

Käytännön vinkki: Aseta etusijalle UL-sertifioidut materiaalisarjat, kuten Isolan DE-sarja, jotka ovat halogeenittomia materiaaleja.

PCB-alustan valinnan tarkistuslistaN/OFF)

Tässä on käytännöllinen tarkistuslista, jonka avulla voit systematisoida alustan valintaprosessia:

1. Määritä toimintataajuusalue
2. Arvioi ympäristöolosuhteet (lämpötila, kosteus, kemikaalialtistus jne.).
3. Vahvista mekaaniset vaatimukset (joustavuus, paksuus jne.).
4. Luettelo keskeisistä sähköisistä parametreista (impedanssi, häviöt jne.).
5. Arvioi lämmönhallintatarpeet
6. Kustannusrajoitusten laskeminen
7. Tarkista ympäristönsuojeluvaatimukset
8. Konsultoi vähintään kahta piirilevyjen valmistajaa
9. Tilaa materiaalinäytteitä testausta varten
10. Luo materiaalin määrittelyä koskeva dokumentaatio

Tulevaisuuden suuntaukset: N/OFF)

Alan suuntausten ja omien havaintojeni perusteella PCB-alustat kehittyvät näihin suuntiin:

1. Korkeampi taajuus: 5G mmWave- ja 6G R & amp; D -materiaalit, joilla on Dk & lt; 2.0, yleistyvät entisestään.
2. Korkeampi lämmönjohtavuus: Materials with >2W/mK conductivity for high-power LEDs and EVs
3. Ympäristöystävällisempi: Biopohjaiset hartsit ja kierrätettävät materiaalit kasvattavat markkinaosuuttaan.
4. Integrointi: Komposiittisubstraatit, joissa on upotettuja kondensaattoreita/induktoreja, vähentävät komponenttien määrää.

SuositusPidä säännöllisesti yhteyttä materiaalitoimittajiin, jotta pysyt ajan tasalla uusista materiaalien ominaisuuksista ja kustannusmuutoksista.

PCB-alustan valinta on tasapainon taito, joka edellyttää suorituskyvyn, luotettavuuden ja kustannusten optimointia.Ymmärtämällä eri materiaaliominaisuuksia, mukauttamalla sovellusvaatimuksia ja ottamalla oppia alan parhaista käytännöistä voit välttää yleiset valintatilanteet ja rakentaa vankan “perustan” elektroniikkatuotteillesi.

Lisää aiheeseen liittyvää lukemista

PCB-luokitus
PCB:n toimintaperiaate
Mikä on PCB-suunnittelu
PCB-asettelun suunnittelu
Mikä on PCB:n tehtävä