海角社区

При проектировании современных электронных продуктов выбор подходящей подложки печатной платы имеет решающее значение для общей производительности печатной платы. Различные среды использования будут выдвигать различные требования к материалу подложки, например, способность выдерживать высокие температуры, иметь стабильные электрические характеристики, а также иметь достаточную механическую прочность. Если выбран неправильный материал, это может привести к сильному перегреву печатной платы, ошибкам передачи сигнала и даже к отказу всей схемы. Напротив, если используется правильная подложка печатной платы, это может не только сделать передачу сигнала более стабильной и четкой, но и повысить надежность продукта. Между тем, это также помогает снизить производственные затраты.

Это руководство поможет вам получить полное представление о том, что такое подложка печатной платы, из каких материалов она обычно состоит и какими ключевыми свойствами обладает каждый материал. Мы также расскажем вам, как выбрать наиболее подходящий материал подложки на основе фактических потребностей различных проектов. Независимо от того, являетесь ли вы инженером-электронщиком, проектировщиком конструкций или менеджером, отвечающим за закупку компонентов, эта статья может предоставить вам практические и ценные ссылки.

Что такое подложка печатной платы?

Подложка печатной платы является самым основным материалом в печатных платах. Она имеет две основные функции: поддержка структуры и электроизоляция. Она расположена в нижнем слое печатной платы и специально используется для переноса медных дорожек (проводящих путей) и установки различных электронных компонентов.

Эта подложка обычно состоит из изоляционных материалов, таких как эпоксидная смола, стекловолокно, керамика или полимеры. Она должна быть достаточно прочной, иметь хорошую механическую прочность и в то же время сохранять стабильные электрические характеристики, чтобы обеспечить нормальную работу печатной платы.

Без прочной и надежной подложки печатной платы печатная плата не может справиться с проблемами, возникающими при реальном использовании, такими как высокая температура во время пайки, тепловые изменения или вибрации. В этой среде схемы подвержены повреждениям или даже полному отказу.

Поэтому выбор подходящего материала подложки печатной платы является первым ключевым шагом в проектировании и производстве высококачественных печатных плат. Это касается не только производительности продукта, но и напрямую влияет на его надежность и срок службы.

Функции и состав подложек печатных плат

Основные функции подложек печатных плат

Подложка печатной платы является важнейшим материалом в печатных платах и ??выполняет две основные важные функции:

1. Механическая поддержка:

Подложка печатной платы обеспечивает структурную поддержку всей печатной платы. Жесткие подложки (например, FR-4) могут удерживать печатные платы в фиксированной форме и подходят для большинства электронных устройств. Гибкие подложки (например, полиимид), с другой стороны, можно сгибать и складывать, что делает их подходящими для сценариев с ограниченным пространством или там, где требуется монтаж с изгибом. Независимо от типа, базовый материал должен сохранять целостность платы во время пайки, транспортировки и сборки и не быть склонным к поломке или деформации.

2. Электрическая изоляция:

Сама подложка печатной платы является изолирующей и непроводящей. Ее функция заключается в разделении различных проводящих слоев (например, медных цепей) на печатной плате для предотвращения коротких замыканий или помех в токе. Это имеет решающее значение для стабильной работы схемы.

Из чего сделаны подложки печатных плат?

Обычные материалы подложек печатных плат обычно состоят из следующих трех компонентов:

? Армирующий материал:

Это ?скелет? подложки, в основном используемый для повышения прочности и стабильности. Обычно используемые армирующие материалы включают тканые стекловолоконные ткани (для жесткости) плат) и полиимидных пленок (для гибких плат).

? Матрица смолы:

Эта смола окружает арматуру, которая используется для фиксации формы и обеспечения изоляции. Наиболее распространенные типы смол включают эпоксидные смолы (используется в FR-4), полиимид (используется в гибких платах) и ПТФЭ (политетрафторэтилен, используется в высокочастотных цепях).

? Наполнители (функциональные добавки):

Для улучшения характеристик подложки, таких как лучшая теплопроводность или более низкая диэлектрическая постоянная, в смолу обычно добавляют некоторые наполнители. Например, керамический порошок может улучшить рассеивание тепла. Специальные соединения могут снизить диэлектрические потери материалов и подходят для использования в печатных платах для высокоскоростной передачи сигнала.

Эти компоненты совместно определяют механическую прочность, термостойкость, изоляционные характеристики и электрические характеристики подложки печатной платы и являются основной гарантией ее эксплуатационных характеристик.

Типы материалов подложек печатных плат

FR-4 (огнестойкое эпоксидное стекловолокно)

FR-4 — наиболее часто используемый субстрат печатных плат. Подходит для большинства потребительских электронных устройств и промышленных устройств. Изготавливается из эпоксидной смолы и стекловолокна. FR-4 обладает хорошей механической прочностью, изоляционными свойствами и огнестойкостью. Он недорогой, стабильный в работе и поддерживает многослойную конструкцию печатных плат. Считается очень экономичным выбором.

CEM-1 / CEM-3 (Композитные эпоксидные материалы)

Эти материалы часто используются в недорогих односторонних или двухсторонних печатных платах. CEM-1 — это эпоксидный материал на бумажной основе, подходящий для простых схем. CEM-3 армирован стекловолокном и имеет характеристики, аналогичные FR-4, но он более хрупкий. Он не подходит для высокопрочных или многослойных применений.

Polyimide

Полиимид — материал с превосходной термостойкостью и гибкостью. Он широко используется в гибких печатных платах (FPC). Он выдерживает высокотемпературную пайку, изгиб и сложные монтажные условия. Он идеально подходит для носимых устройств, аэрокосмической отрасли, медицинской электроники и других приложений, требующих гибкости и термостойкости.

ПТФЭ (тефлон)

PTFE — это высокочастотный материал для печатных плат с чрезвычайно низкими диэлектрическими потерями. Он часто используется в печатных платах радиочастотной и микроволновой связи. Он имеет низкую диэлектрическую постоянную и поддерживает быструю передачу сигнала. Однако его сложнее обрабатывать и он дороже, что делает его пригодным для высокопроизводительных систем связи и радиолокации.

Керамические подложки (оксид алюминия Al?O?, Нитрид алюминия AlN)

Керамические материалы обладают превосходной теплопроводностью и сильной электроизоляцией. Они подходят для сред с высокой мощностью и высокой температурой, таких как усилители мощности, силовые модули, автомобильная электроника и аэрокосмические системы. Керамические печатные платы более дорогие, но обеспечивают высокую производительность.

Металлические сердечники (алюминий или медь)

Печатные платы с металлическим сердечником (MCPCB) содержат металлический слой — обычно алюминиевый или медный — для улучшения рассеивания тепла. Эти платы используются в высокотемпературных приложениях, таких как светодиодное освещение, драйверы двигателей и преобразователи мощности. Алюминий дешевле, в то время как медь обеспечивает лучшие тепловые характеристики, но стоит дороже.

Rogers, Isola, Taconic и другие высокопроизводительные материалы

Эти бренды предлагают высокопроизводительные материалы подложки для высокоскоростных и высокочастотных приложений, таких как связь 5G, радары, радиочастотные системы и схемы быстрой передачи сигналов. Они обладают превосходными диэлектрическими свойствами, стабильностью и надежностью. Эти материалы широко используются в базовых станциях связи, спутниках и передовом медицинском оборудовании.

О PCBasic

Время — деньги в ваших проектах — и PCBasic получает это. PCБазовый  - это компания по сборке печатных плат который обеспечивает быстрые и безупречные результаты каждый раз. Наш комплексный Услуги по сборке печатных плат включают экспертную инженерную поддержку на каждом этапе, гарантируя высочайшее качество каждой платы. Как ведущий производитель сборки печатных плат, мы предлагаем комплексное решение, которое оптимизирует вашу цепочку поставок. Сотрудничайте с нашими передовыми Завод по производству прототипов печатных плат для быстрого выполнения заказов и превосходных результатов, которым вы можете доверять.

Сравнительная таблица распространенных субстратов

Основные технические характеристики субстратов

Выбор правильной подложки печатной платы очень важен при проектировании и производстве печатных плат. Различные материалы подложки обладают различными электрическими, термическими и механическими свойствами. Эти свойства напрямую влияют на срок службы, стабильность и производительность сигнала печатной платы. Ниже приведены основные технические факторы, которые следует учитывать при выборе подложки печатной платы:

1. Диэлектрическая проницаемость (Dk или Er)

Диэлектрическая проницаемость показывает, насколько хорошо материал может хранить электрический заряд в электрическом поле. Она влияет на то, как быстро сигналы проходят через плату и как согласуется импеданс.

Более высокий Dk означает большую емкость и более медленную скорость сигнала. Более низкий Dk означает меньшую потерю сигнала, что лучше для высокоскоростных или высокочастотных цепей. Например, FR-4 обычно имеет Dk от 4.2 до 4.8, в то время как высокочастотные материалы, такие как PTFE, имеют Dk всего лишь от 2.2 до 2.8.

2. Теплопроводность (к)

Теплопроводность измеряет, насколько хорошо материал может проводить тепло, в единицах Вт/м·К.

Лучшая теплопроводность помогает отводить тепло от компонентов, улучшая тепловое управление платой. Это особенно важно для мощных устройств или плотно упакованных макетов. Такие материалы, как алюминиевые или керамические подложки, проводят тепло намного лучше, чем стандартный FR-4, помогая продлить срок службы устройства.

3. Коэффициент теплового расширения (КТР)

КТР показывает, насколько расширяется материал при нагревании. Более высокое число означает большее расширение.

Если КТР подложки слишком отличается от медных слоев, плата может расслоиться или паяные соединения могут треснуть из-за перепадов температуры. Это особенно актуально для многослойных печатных плат и во время высокотемпературных процессов пайки, таких как оплавление.

4. Максимальная рабочая температура (MOT)

MOT — это самая высокая температура, которую материал может выдерживать в течение длительного времени без ухудшения своих свойств.

Если плата работает при температуре выше этой, подложка может стареть, деформироваться или потерять свои электрические свойства, что может привести к отказу схемы. Для таких приложений, как автомобильная или силовая электроника, MOT является критическим параметром.

5. Температура стеклования (Tg)

Tg — это температура, при которой материал переходит из твердого (стеклообразного) состояния в мягкое (резиноподобное) состояние.

Ниже Tg материал остается жестким и стабильным. Выше Tg он размягчается и может деформироваться. Более высокая Tg означает лучшую термическую стабильность, что важно для печатных плат, работающих в условиях высоких температур.

6. Температура разложения (Td)

Td — температура, при которой материал начинает химически разлагаться.

Во время производства печатных плат (например, пайки оплавлением) температура должна быть ниже Td. В противном случае смола может разложиться, что приведет к образованию пузырьков, расслоению или выходу из строя. Высококачественные подложки обычно имеют Td выше 300°C в целях безопасности.

7. Электроизоляция/объемное удельное сопротивление

Электроизоляция описывает, насколько хорошо материал предотвращает утечку тока.

Чем выше объемное сопротивление, тем лучше изоляция. Это помогает избежать утечки тока, коротких замыканий и помех сигнала. Подложки с хорошей изоляцией особенно важны в высоковольтных или чувствительных сигнальных приложениях для поддержания надежной работы схемы.

Жесткие, гибкие и жестко-гибкие подложки

Жесткая подложка печатной платы

?  Наиболее распространенная форма (например, FR-4, CEM-1)

?  Жесткий и прочный

?  Подходит для большинства электронных устройств.

Гибкая подложка для печатной платы

?  Изготовлен из полиимидного или ПЭТ-материала-подложки

?  Можно сгибать и складывать

?  Используется в носимых устройствах, складных телефонах, автомобильных датчиках.

Жестко-гибкая подложка печатной платы

?  Сочетает в себе как жесткие, так и гибкие области

?  Обеспечивает экономию места и веса

?  Идеально подходит для аэрокосмической и медицинской техники.

Выбор между ними зависит от ваших механических и пространственных ограничений, а также целевых затрат.

Как выбрать правильную подложку для печатной платы?

Выбор правильной подложки печатной платы имеет важное значение для хорошей производительности, надежности и контроля затрат. Вам необходимо учесть, как будет использоваться плата, окружающую среду, потребности в сигналах и любые требования к бюджету или сертификации.

Заполнитель

Начните с понимания того, для чего нужна плата. Для радиочастотных или микроволновых схем нужны материалы с низкими потерями, такие как PTFE или Rogers. Для светодиодных источников питания нужны металлические подложки для рассеивания тепла. Автомобильные ЭБУ должны использовать FR-4 с высокой температурой стеклования или керамику для устойчивости к нагреву и вибрации.

Окружающая среда

Для сильного нагрева или вибрации выбирайте полиимидные или керамические подложки. Во влажных средах используйте материалы с низким влагопоглощением, чтобы избежать повреждения изоляции или коррозии.

Требования к сигналу

Высокоскоростным цифровым сигналам нужны подложки с низким Dk и низким Df для снижения потерь сигнала. Для аналоговых или силовых сигналов больше внимания уделите теплопроводности для эффективного управления теплом.

Цена

Если вы создаете недорогой потребительский продукт, FR-4 доступен и широко используется. Для критических или высоконадежных приложений выбирайте производительность, а не цену.

Правила и надежность

Проверьте, соответствует ли подложка каким-либо отраслевым стандартам, таким как UL, RoHS или IPC-6012. Перед окончательным выбором обратитесь к производителю печатной платы, чтобы подтвердить стек и тепловое моделирование.

Заключение

Подложка печатной платы — это основа вашей печатной платы. Выбор правильного материала влияет на производительность, стоимость и долговечность.

Каждый тип — например, FR-4, CEM-3, полиимид, PTFE или керамика — имеет разную прочность. Ключевым моментом является подбор материала для вашего конкретного применения.

Если вы не уверены, обратитесь к профессиональному производителю печатных плат, чтобы он помог вам выбрать лучшую подложку с учетом вашего проекта, потребностей в тепле и требований к сигналам.