Mikä on Jäykkä piirilevy Ja miten se valmistetaan?
Jäykkä painettu piirilevy (PCB) on jäykälle alustalle perustuva painettu piirilevy, jolla on vakaa mekaaninen rakenne ja erinomainen sähköinen suorituskyky. Sitä käytetään laajalti tietokoneissa, viestintälaitteissa, teollisuuden ohjauslaitteissa ja kulutuselektroniikassa, ja se tarjoaa luotettavat sähköliitännät ja fyysisen tuen elektronisille komponenteille.
1. Jäykkien piirilevyjen ominaisuudet ja edut
Jäykät piirilevyt käyttävät pääasiassa lasikuituvahvistettu epoksilaminaatti (kuten FR-4, CEM-3) perusmateriaalina, valmistettu laminointi-, kuvion siirto- ja etsausprosesseilla. Niiden tärkeimmät ominaisuudet ovat:
- Korkea mekaaninen lujuus: Jäykkä alusta tarjoaa korkean taivutus- ja tärinänkestävyyden, mikä sopii kiinteisiin asennuksiin.
- Erinomainen sähköinen suorituskyky: Vakaa dielektrisyysvakio ja pieni signaalinsiirtotappio, tukee korkeataajuisia ja nopeita sovelluksia.
- Hyvä lämpöstabiilisuus: Lämmönkestävä, lasittumislämpötila (Tg) tyypillisesti yli 140 °C.
- Korkea johdotustiheys: Tukee monikerroksisia rakenteita (yleensä 4–12 kerrosta), mikä mahdollistaa monimutkaiset piirilevyasettelut.
Joustavien piirilevyjen (Flex PCB) verrattuna jäykät piirilevyt ovat edullisempia ja niiden valmistusprosessit ovat kehittyneempiä, mutta ne ovat vähemmän joustavia ja kevyitä. Alla olevassa taulukossa verrataan näiden kahden tyypin pääominaisuuksia:
| Ominaisuus | Jäykkä piirilevy | Joustava piirilevy |
|---|
| Substraattityyppi | FR-4, CEM-3 jne. | Polyimidi (PI), PET |
| Joustavuus | None | Taivutettava ja taitettava |
| Paino | Raskaampi | Kevyt (90 % kevyempi kuin jäykkä) |
| Kustannukset | Matala (etu massatuotannossa) | Korkeampi |
| Sovellukset | Emolevyt, virtamoduulit | Puettavat laitteet, taitettavat näytöt |
2. Jäykkien piirilevyjen valmistusprosessi
Jäykkien piirilevyjen valmistus on monivaiheinen, erittäin tarkka prosessi, joka koostuu pääasiassa seuraavista vaiheista:
- Sisäkerroksen piirien tuotanto
- Leikkaaminen: Kuparipäällysteinen laminaatti leikataan suunnittelumittoihin ±0,1 mm:n tarkkuudella.
- Kalvon laminointi ja valotus: Valoherkkä kuivakalvo levitetään ja piirikuvio siirretään UV-valotuksella.
- Kehitys ja etsaus: Valottamattomat kuivakalvot ja kupari poistetaan johtavien piirien muodostamiseksi.
- AOI-tarkastus: Automaattinen optinen tarkastus tarkistaa parametrit, kuten viivan leveyden ja välin.
- Laminointi ja puristaminen
- Ruskea hapettuminen: Paranna sisäisten kuparikerrosten ja prepreg-materiaalin välistä tarttuvuutta.
- Kerrosten pinoaminen ja puristaminen: Useita kerroksia puristetaan yhteen korkeassa lämpötilassa (180–200 °C) ja paineessa (300–400 psi).
- Mekaaninen/laserporaus: Luo läpivientireiät, umpiviat tai upotetut viat.
- Kuparin kerrostuminen ja pinnoitus: Kemiallisesti kerrostettu ja galvanoitu kupari metallisoi reikien seinämät kerrosten välisiä liitoksia varten.
- Ulkokerroksen piiri ja pintakäsittely
- Kuvion siirto: Laser Direct Imaging (LDI) -tekniikka luo ulkokerroksen piirit.
- Juotosmaski ja silkkipaino: Juotosvastusmuste levitetään ja komponenttien merkinnät tulostetaan.
- Pinnan viimeistely: Prosessit, kuten HASL, ENIG tai OSP, valitaan sovelluksen tarpeiden perusteella.
- Sähköinen testaus: Jatkuvuus testattu lentävällä koettimella tai naulamatotestillä.
- Luotettavuuden validointi: Sisältää lämpösyklit, korkean lämpötilan/kosteuden testit, impedanssitestit jne.
3. Kuinka parantaa jäykkien piirilevyjen luotettavuutta?
Jäykkien piirilevyjen luotettavuuden parantamiseksi vaativissa olosuhteissa tarvitaan materiaalien, suunnittelun, valmistuksen ja testausprosessien järjestelmällistä optimointia:
- Käytä korkeataajuuksisissa sovelluksissa PTFE-substraatit (Dk≈3,0, Df<0,005).
- Käytä korkean lämpötilan ympäristöissä (esim. autoelektroniikka) korkea Tg FR-4 (Tg≥170 °C).
- Lämmön haihtumistarpeisiin käytä metallipohjaiset substraatit (alumiinisydämen lämmönjohtavuus 1–3 W/m·K).
- Maadoitussuunnittelu: Käytä monipisteistä maadoitusta korkeataajuisille piireille ja yksipisteistä matalataajuisille piireille.
- Lämmönhallinta: Lisää lämpöviat, käytä paksua kuparifoliota (≥2 oz).
- Signaalin eheys: Impedanssin poikkeama ±10 %, viivan leveyden toleranssi ±0,05 mm.
- Laminointiprosessi: Tyhjiöpuristus vähentää kerrosten välisiä kuplia.
- Porauksen tarkkuus: Reiän sijaintivirhe ≤50μm, kuvasuhde ≤8:1.
- Juotosprosessi: Käytä lyijytöntä SAC305-juotetta, reflow-huipun lämpötila 245 °C ± 5 °C.
- Noudata alan standardeja, kuten IPC-6012 ja IPC-A-600.
- Suorita ympäristöstressitestaus (ESS), esim. 1000 lämpösykliä (-40 °C – 125 °C).
4. Jäykkä piirilevy vs. joustava piirilevy: miten valita?
| Harkinta | Sopii jäykille piirilevyille | Sopii joustaville piirilevyille |
|---|
| Mekaaninen ympäristö | Kiinteä asennus, voimakas tärinä | Taivutettava, dynaaminen taittuvuus |
| Kustannusherkkyys | Massatuotanto, kustannusten hallinta | Pieni volyymi, korkean arvon tuotteet |
| Tilan rajoitukset | Riittävä tila | Suljetut tai epäsäännölliset tilat |
| Lämmön haihtuminen | Suuritehoiset komponentit, aktiivinen jäähdytys | Pieni teho, passiivinen jäähdytys |
| Signaalin taajuus | Korkea taajuus/nopeus (>10 GHz) erityisillä materiaaleilla | Yleinen taajuus (<5 GHz) |
5. Sovellustilanteet ja valintasuositukset
- Viihde-elektroniikka (emolevyt, laitteet): FR-4 suositeltava edullisen hinnan ja kehittyneen prosessin vuoksi.
- Teollinen ohjaus (PLC:t, anturit): Vaaditaan korkea luotettavuus; suositellaan korkean Tg:n FR-4- tai monikerroksisia levyjä.
- Autoteollisuuden elektroniikka (ECU, tutka): Vaatii korkean lämpötilan kestävyyttä ja tärinänkestävyyttä; metallinen tai keraaminen substraatti on valinnainen.
- Viestintälaitteet (5G-tukiasemat, RF-moduulit): Korkeataajuiset sovellukset edellyttävät PTFE- tai Rogers-materiaaleja.