Hva er kretskort laget av? En PCB Maker's Guide to Board Materials

Spør de fleste ingeniører hva et kretskort er laget av, og du vil få et enkelt ord tilbake: glassfiber. Det svaret er riktig, men det dekker bare det første laget av en lengre historie. Et trykt kretskort er en nøye konstruert stabel med materialer, og hver og en av dem må gjøre seg fortjent til sin plass. Underlaget gir platen sin kropp og dens elektriske isolasjon, kobberet bærer strømmen, loddemasken beskytter overflaten, og den endelige finishen holder kobberet loddbart i årevis.

Vi har laget plater på vårt Guangde-anlegg siden 2013, fra enkle enkeltsidige paneler opp til 32-lags stabler, så vi pleier å svare på dette spørsmålet slik en produsent gjør. Det virkelige spørsmålet er ikke hva et PCB er laget av generelt, men hvilken kombinasjon av materialer som vil overleve produktets miljø i forventet levetid.

Kjerneingrediensene til et kretskort

Fjern sjargongen og nesten alle tavler er bygget av den samme korte listen over materialer:

• Substrat: den isolerende basen, vanligvis vevd glassfiber bundet med epoksyharpiks.
• Kobberfolie: laminert på underlaget og etset inn i spor, puter og plan.
• Plating: kobber, og noen ganger tinn eller gull, avsatt inne i borede hull for å knytte lagene sammen.
• Loddemaske: det fargede belegget som dekker alt bortsett fra putene du trenger å lodde.
• Silketrykk: den trykte forklaringen som identifiserer komponenter og referansebetegnelser.
• Overflatefinish: et tynt metallisk eller organisk lag som hindrer eksponert kobber fra å oksidere.

Hvert av disse materialene kan byttes, oppgraderes eller fortykkes, og hver erstatning endrer kostnad, produksjonsevne og feltpålitelighet på samme tid.

Substratet: Glassduk, harpiks og alternativene

Standard FR-4 begynner med vevd glassduk. Kluten er impregnert med epoksyharpiks og delvis herdet til et ark kalt prepreg, deretter stablet og presset under varme og trykk til harpiksen flyter og stivner. Resultatet er stivt, formstabilt og en utmerket isolator: glasset gir mekanisk styrke mens harpiksen definerer den elektriske og termiske oppførselen.

Fra det utgangspunktet forgrener familien seg raskt:

• FR-4 i standard, høy-Tg og halogenfrie kvaliteter, bransjens arbeidshest.
• CEM-1 og CEM-3, komposittepoksy med en ikke-vevd glasskjerne for kostnadssensitive produkter.
• FR-1 og FR-2, papirbaserte laminater som brukes i svært rimelige enkeltsidige plater.
• Polyimidfilm, den fleksible basen for FPC og rigid-flex design som må bøye seg.
• PTFE og keramikkfylte hydrokarbonlaminater, valgt når signaltapet må holde seg lavt ved gigahertz-frekvenser.

De fleste av de viktige avveiningene lever i harpikssystemet i stedet for kobberet. Glassovergangstemperatur, dekomponeringstemperatur, dielektrisk konstant og fuktighetsabsorpsjon kommer alle fra laminatkjemien.

Dobbeltsidig OSP PCB FR4 PCB bruker et epoksyharpiks glassfibersubstrat, som tilbyr utmerket mekanisk styrke, høytemperaturmotstand og elektriske isolasjonsegenskaper. De en... Se produkt →

Et dobbeltsidig FR-4-plate med OSP-finish er det daglige eksempelet: standard laminat, standard tykkelse og en finish som passer høyvolum-reflow-lodding uten ekstra kostnader.

Kobber: delen som bærer strømmen

Kobber er den andre essensielle ingrediensen. Folie er spesifisert etter vekt, og konverteringen er verdt å huske: en unse kobber spredt over en kvadratfot er omtrent 35 mikron tykk. Fin-pitch digital design kjører vanligvis på en halv unse eller en unse folie, kraftkort går opp til to gram, og tungt kobberarbeid går til tre gram og mer.

Kobber dukker opp flere steder enn de synlige sporene. Under fremstillingen blir ekstra kobber galvanisert i hvert boret hull for å danne en kontinuerlig tønnevegg, og de ytre lagene mønsterbelegges før etsing. Kvaliteten på belegget, ikke bare tykkelsen, avgjør om en via overlever gjentatt termisk sykling.

Når dagens krav øker, er svaret ofte mer kobber i stedet for mer brettareal. Tung kobberkonstruksjoner sprer belastningen over indre lag, noe som holder temperaturstigningen under kontroll uten ekstern kjøleribbe.

14-lags kobber Tykke kobber-PCB-er bruker ultratykk kobberfolie fra 3 oz til 20 oz, med eksepsjonell strømføringskapasitet (over 100A) og motstand mot høye temperaturer ... Se produkt →

Når glassfiber er feil valg

FR-4 svarer på de fleste spørsmål, men tre materialfamilier tar over når den ikke kan.

Metallkjerne og kobberkjerneplater

Aluminium brukes som base når varmen raskt skal forlate brettet. Et tynt dielektrisk lag er bundet til aluminiumet, kobberkretser er etset på toppen, og metallunderlaget fungerer som en varmespreder. Kobberkjerneversjoner går lenger, og har svært høye strømtettheter i LED-belysning, motordrev og kraftkonvertering. Så tynt som det er, må det dielektriske laget fortsatt holde full arbeidsspenning, så tykkelsen og termisk ledningsevne er de to tallene som er verdt å sjekke først.

Enkeltsidig PCB i aluminium Metallsubstrater bruker aluminium, kobber og andre metaller som deres kjerne termisk ledende lag. En spesialisert isolerende dielektrikum oppnår overlegen varmespredning... Se produkt →

Keramiske underlag

Aluminiumoksyd og aluminiumnitrid gir termisk ledningsevne som ingen polymerlaminat kan matche, sammen med en termisk ekspansjonskoeffisient nær silisium. De vises i LED-moduler med høy effekt, RF-effekttrinn og sensorer som må fortsette å jobbe gjennom store temperatursvingninger.

Fleksible filmer

Polyimid erstatter glassduk når platen skal bøye seg. De samme kobber- og finishreglene gjelder, kun underlaget endres, og med det håndteringsreglene under montering.

Loddemaske, silketrykk og overflatefinish

Loddemaske er et epoksybasert belegg påført over brettet og deretter herdet. Det stopper loddetinn fra å bygge bro mellom putene, beskytter kobberet under mot fuktighet og forurensning, og gir brettet sin kjente farge. Grønt er tradisjonelt fordi det har den lengste meritten innen bildebehandling og inspeksjon, men svart, blått, rødt og matt svart er rutine i dag. Silketrykkblekk er trykt på toppen av masken for å markere komponentreferanser og polaritet, og selv om det ikke har strøm, er det det første en monteringsoperatør er avhengig av.

Overflatefinishen er den siste materialbeslutningen og en av de mest konsekvensmessige. Utjevning av varmluftlodde er det rimelige alternativet, OSP er organisk og blekner etter noen få reflows, og ENIG eller immersionsølv gir en flat overflate for deler med fin stigning. Der en tavle settes inn og fjernes gjentatte ganger, er hardt gull svaret. Alle våre finisher er tilgjengelige i blyfrie versjoner.

Kretskortmaterialer med et blikk

Tabellen nedenfor oppsummerer materialsystemene vi bygger oftest og hva hvert enkelt er laget av.

Hvordan applikasjonen velger materialet

Materialvalg er sjelden et fritt valg. Den følger miljøet styret skal leve i.

Forbruker- og hvitevarerprodukter

Der kostnadene dominerer, er standard FR-4 eller CEM-3 med HASL- eller OSP-finish vanligvis nok.

Bil- og industrikontroll

Vibrasjon, termisk sykling og lang levetid presser design mot høy-Tg-laminater, tykkere kobber og overflater som ENIG som overlever gjentatt reflow.

Kraft og høyfrekvente design

Termisk styring og signalintegritet har prioritet, som betyr metallkjerne, keramikk eller PTFE-baserte materialer i stedet for en tykkere glassplate.

Hvis du er usikker på hvor produktet ditt sitter, hjelper det å se hvordan lignende brett allerede bygges. Du kan bla bruksområdene vi støtter for å se materialkombinasjonene som allerede er utprøvd i hvert segment.

Praktiske notater fra butikketasjen

Et par ting vi forteller kunder som velger materialer for første gang:

1. Velg finish før layouten fryses, fordi putegeometri og via telting avhenger av det.
2. Tilpass kobbervekten til strømmen, ikke til vanen, siden overdimensjonert kobber øker etsevansker og kostnad.
3. Spør om Tg tidlig, fordi et høy-Tg laminat koster litt mer og fjerner en hel klasse med feltfeil.
4. Bekreft stable-up-tegningen før utgivelsen, fordi de fleste forsinkelser starter som et manglende eller tvetydig lag.

Hvis du vil ha en dypere titt på hvordan laminatvalg, kobbervekt og finish samhandler, vår guide til velge FR-4, RF og metallkjernematerialer går nærmere gjennom sammenligningene.

Så hva er kretskort laget av? Glassklut og epoksyharpiks, kobberfolie og belagte fat, en loddemaske, en trykt legende og en siste finish som holder det hele loddbart. Den interessante delen er ikke selve listen, men måten disse materialene er tilpasset jobben. Få den kampen riktig og brettet gjør jobben sin i et tiår eller mer.