Bảng mạch được làm bằng gì? Hướng dẫn về vật liệu bo mạch dành cho nhà sản xuất PCB

Hãy hỏi hầu hết các kỹ sư xem bảng mạch được làm từ chất liệu gì và bạn sẽ nhận được một từ duy nhất: sợi thủy tinh. Câu trả lời đó đúng, nhưng nó chỉ bao gồm phần đầu tiên của một câu chuyện dài hơn. Bảng mạch in là một tập hợp các vật liệu được thiết kế cẩn thận và mỗi vật liệu trong số chúng phải có vị trí riêng. Chất nền mang lại cho bo mạch phần thân và khả năng cách điện, đồng mang dòng điện, mặt nạ hàn bảo vệ bề mặt và lớp hoàn thiện cuối cùng giữ cho đồng có thể hàn được trong nhiều năm.

Chúng tôi đã chế tạo các tấm ván tại cơ sở Quảng Đức từ năm 2013, từ các tấm một mặt đơn giản cho đến các tấm 32 lớp, vì vậy chúng tôi có xu hướng trả lời câu hỏi này theo cách của một nhà chế tạo. Câu hỏi thực sự không phải là PCB được làm từ gì nói chung, mà là sự kết hợp vật liệu nào sẽ tồn tại trong môi trường sản phẩm của bạn trong suốt tuổi thọ dự kiến.

Các thành phần cốt lõi của một bảng mạch

Loại bỏ các biệt ngữ và hầu hết mọi bảng đều được xây dựng từ cùng một danh sách ngắn các vật liệu:

• Chất nền: đế cách nhiệt, thường được dệt bằng sợi thủy tinh liên kết với nhựa epoxy.
• Lá đồng: được ép lên bề mặt và khắc thành dấu vết, miếng đệm và mặt phẳng.
• Mạ: đồng, đôi khi là thiếc hoặc vàng, được đặt bên trong các lỗ khoan để liên kết các lớp.
• Mặt nạ hàn: lớp phủ màu bao phủ mọi thứ ngoại trừ các miếng đệm bạn cần hàn.
• Silkscreen: chú giải in xác định các thành phần và chỉ định tham chiếu.
• Bề mặt hoàn thiện: một lớp kim loại hoặc hữu cơ mỏng ngăn chặn quá trình oxy hóa đồng tiếp xúc.

Mỗi vật liệu này có thể được hoán đổi, nâng cấp hoặc làm dày hơn và mỗi sự thay thế đều thay đổi chi phí, khả năng sản xuất và độ tin cậy tại hiện trường cùng một lúc.

Chất nền: Vải thủy tinh, nhựa và các chất thay thế

Tiêu chuẩn FR-4 bắt đầu bằng vải thủy tinh dệt. Vải được tẩm nhựa epoxy và xử lý một phần thành tấm gọi là prereg, sau đó xếp chồng lên nhau và ép dưới nhiệt và áp suất cho đến khi nhựa chảy ra và cứng lại. Kết quả là nó cứng, ổn định về kích thước và là chất cách điện tuyệt vời: thủy tinh cung cấp độ bền cơ học trong khi nhựa xác định đặc tính điện và nhiệt.

Từ điểm khởi đầu đó gia đình phân nhánh nhanh chóng:

• FR-4 ở các loại tiêu chuẩn, hàm lượng Tg cao và không chứa halogen, đặc trưng của ngành.
• CEM-1 và CEM-3, epoxies tổng hợp có lõi thủy tinh không dệt dành cho các sản phẩm nhạy cảm với chi phí.
• FR-1 và FR-2, các loại giấy cán mỏng được sử dụng trong các tấm ván một mặt có chi phí rất thấp.
• Phim polyimide, đế linh hoạt cho FPC và các thiết kế uốn cứng cần uốn cong.
• Tấm nhựa hydrocarbon chứa đầy PTFE và gốm, được chọn khi mức mất tín hiệu phải ở mức thấp ở tần số gigahertz.

Hầu hết sự đánh đổi quan trọng đều nằm trong hệ thống nhựa chứ không phải đồng. Nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh, nhiệt độ phân hủy, hằng số điện môi và độ hấp thụ độ ẩm đều đến từ hóa học cán mỏng.

PCB OSP hai mặt PCB FR4 sử dụng chất nền sợi thủy tinh nhựa epoxy, mang lại độ bền cơ học tuyệt vời, khả năng chịu nhiệt độ cao và đặc tính cách điện. Họ một... Xem sản phẩm →

Bảng FR-4 hai mặt có lớp hoàn thiện OSP là ví dụ hàng ngày: tấm cán mỏng tiêu chuẩn, độ dày tiêu chuẩn và lớp hoàn thiện phù hợp với phương pháp hàn nóng chảy lại khối lượng lớn mà không phải trả thêm chi phí.

Đồng: Phần mang dòng điện

Đồng là thành phần thiết yếu thứ hai. Giấy bạc được chỉ định theo trọng lượng và việc chuyển đổi đáng được ghi nhớ: một ounce đồng trải trên một foot vuông dày khoảng 35 micron. Các thiết kế kỹ thuật số có cường độ cao thường chạy trên giấy bạc nặng nửa ounce hoặc một ounce, bảng điện tăng lên hai ounce và tác phẩm bằng đồng nặng lên đến ba ounce trở lên.

Đồng xuất hiện ở nhiều nơi hơn những dấu vết có thể nhìn thấy được. Trong quá trình chế tạo, đồng bổ sung được mạ điện vào từng lỗ khoan để tạo thành thành thùng liên tục, các lớp bên ngoài được mạ hoa văn trước khi khắc. Chất lượng của lớp mạ đó, không chỉ độ dày của nó, quyết định liệu một lỗ thông có tồn tại được sau chu trình nhiệt lặp đi lặp lại hay không.

Khi nhu cầu hiện tại tăng lên, câu trả lời thường là nhiều đồng hơn là nhiều diện tích bo mạch hơn. Cấu trúc bằng đồng nặng phân bổ tải trọng khắp các lớp bên trong, giúp kiểm soát nhiệt độ tăng lên mà không cần tản nhiệt bên ngoài.

Đồng 14 Lớp PCB đồng dày sử dụng lá đồng siêu dày từ 3oz đến 20oz, có khả năng mang dòng đặc biệt (trên 100A) và khả năng chịu nhiệt độ cao. Xem sản phẩm →

Khi sợi thủy tinh là sự lựa chọn sai lầm

FR-4 trả lời hầu hết các câu hỏi, nhưng ba họ vật chất sẽ đảm nhận khi không thể.

Bảng lõi kim loại và lõi đồng

Nhôm được sử dụng làm đế khi nhiệt phải thoát ra khỏi bo mạch nhanh chóng. Một lớp điện môi mỏng được liên kết với nhôm, mạch điện bằng đồng được khắc lên trên và lớp nền kim loại hoạt động như một bộ tản nhiệt. Các phiên bản lõi đồng còn tiến xa hơn nữa, mang mật độ dòng điện rất cao trong hệ thống chiếu sáng LED, truyền động động cơ và chuyển đổi năng lượng. Dù mỏng nhưng lớp điện môi đó vẫn phải giữ toàn bộ điện áp làm việc nên độ dày và độ dẫn nhiệt của nó là hai con số cần kiểm tra đầu tiên.

PCB nhôm một mặt Chất nền kim loại sử dụng nhôm, đồng và các kim loại khác làm lớp dẫn nhiệt lõi của chúng. Một chất điện môi cách điện chuyên dụng có khả năng tản nhiệt vượt trội... Xem sản phẩm →

Chất nền gốm

Alumina và nhôm nitrit mang lại khả năng dẫn nhiệt mà không loại polyme polyme nào có thể sánh được, cùng với đó là hệ số giãn nở nhiệt gần bằng silicon. Chúng xuất hiện trong các mô-đun LED công suất cao, các tầng cấp nguồn RF và các cảm biến phải tiếp tục hoạt động trong điều kiện nhiệt độ dao động rộng.

Phim linh hoạt

Polyimide thay thế vải thủy tinh khi bảng phải uốn cong. Các quy tắc về đồng và hoàn thiện tương tự được áp dụng, chỉ có phần đế thay đổi và cùng với đó là các quy tắc xử lý trong quá trình lắp ráp.

Mặt nạ hàn, màn lụa và hoàn thiện bề mặt

Mặt nạ hàn là một lớp phủ gốc epoxy được phủ lên bảng và sau đó được xử lý. Nó ngăn không cho chất hàn kết nối giữa các miếng đệm, bảo vệ lớp đồng bên dưới khỏi hơi ẩm và ô nhiễm, đồng thời mang lại cho bo mạch màu sắc quen thuộc. Màu xanh lá cây là truyền thống vì nó có lịch sử lâu đời nhất trong lĩnh vực chụp ảnh và kiểm tra, nhưng ngày nay màu đen, xanh lam, đỏ và đen mờ đã phổ biến. Mực in lụa được in phía trên mặt nạ để đánh dấu các tham chiếu thành phần và cực tính, đồng thời mặc dù nó không mang dòng điện nhưng đây là điều đầu tiên mà người vận hành lắp ráp dựa vào.

Việc hoàn thiện bề mặt là quyết định vật liệu cuối cùng và là một trong những hậu quả quan trọng nhất. Cân bằng chất hàn bằng khí nóng là lựa chọn chi phí thấp, OSP là chất hữu cơ và mờ dần sau một vài lần hàn lại, còn ENIG hoặc bạc ngâm cung cấp bề mặt phẳng cho các bộ phận có bước cao. Khi một tấm ván được lắp vào và tháo ra nhiều lần, vàng cứng chính là câu trả lời. Tất cả các sản phẩm hoàn thiện của chúng tôi đều có sẵn ở phiên bản không chứa chì.

Sơ lược về vật liệu bảng mạch

Bảng dưới đây tóm tắt các hệ thống vật liệu mà chúng tôi xây dựng thường xuyên nhất và mỗi hệ thống được làm bằng gì.

Cách ứng dụng chọn vật liệu

Lựa chọn vật liệu hiếm khi là một sự lựa chọn miễn phí. Nó tuân theo môi trường mà hội đồng quản trị sẽ sống.

Sản phẩm tiêu dùng và thiết bị

Khi chi phí chiếm ưu thế, FR-4 hoặc CEM-3 tiêu chuẩn với lớp hoàn thiện HASL hoặc OSP thường là đủ.

Kiểm soát ô tô và công nghiệp

Độ rung, chu kỳ nhiệt và tuổi thọ lâu dài thúc đẩy các thiết kế hướng tới các loại tấm có hàm lượng Tg cao, đồng dày hơn và các lớp hoàn thiện như ENIG có thể tồn tại sau nhiều lần chỉnh lưu.

Thiết kế công suất và tần số cao

Quản lý nhiệt và tính toàn vẹn của tín hiệu được ưu tiên, nghĩa là vật liệu lõi kim loại, gốm hoặc PTFE thay vì tấm kính dày hơn.

Nếu bạn không chắc sản phẩm của mình nằm ở đâu, việc xem các bảng tương tự đã được chế tạo như thế nào sẽ giúp ích. Bạn có thể duyệt các lĩnh vực ứng dụng chúng tôi hỗ trợ để xem sự kết hợp vật liệu đã được chứng minh trong từng phân khúc.

Những lưu ý thiết thực từ Tầng cửa hàng

Một số điều chúng tôi nói với những khách hàng đang lựa chọn vật liệu lần đầu tiên:

1. Chọn phần hoàn thiện trước khi bố cục bị đóng băng, vì hình dạng của tấm đệm và cách dựng lều phụ thuộc vào nó.
2. Hãy điều chỉnh trọng lượng đồng phù hợp với dòng điện, không theo thói quen, vì đồng quá khổ sẽ làm tăng độ khó và chi phí khắc.
3. Hãy hỏi sớm về Tg, vì tấm laminate có Tg cao sẽ đắt hơn một chút và loại bỏ được toàn bộ các lỗi tại hiện trường.
4. Xác nhận bản vẽ xếp chồng trước khi phát hành, vì hầu hết độ trễ đều bắt đầu dưới dạng lớp bị thiếu hoặc không rõ ràng.

Nếu bạn muốn có cái nhìn sâu hơn về cách lựa chọn tấm laminate, trọng lượng đồng và lớp hoàn thiện tương tác với nhau, hướng dẫn của chúng tôi về lựa chọn vật liệu FR-4, RF và lõi kim loại đi qua các so sánh chi tiết hơn.

Vậy bảng mạch được làm bằng gì? Vải thủy tinh và nhựa epoxy, lá đồng và thùng mạ, mặt nạ hàn, chú thích được in và lớp hoàn thiện cuối cùng giúp tất cả có thể hàn được. Phần thú vị không phải là danh sách mà là cách những tài liệu đó phù hợp với công việc. Hãy thực hiện đúng trận đấu đó và hội đồng quản trị sẽ lặng lẽ thực hiện công việc của mình trong một thập kỷ trở lên.