Guide för val av PCB-material

Den viktigaste delen av elektroniken är kretskortet (PCB). Alternativt har förkortningen även beskrivit kretskort och kretskort, vilka i princip är samma sak. På grund av dessa korts avgörande roll i allt från datorer till miniräknare, bör materialval för kretskort göras med omsorg och kunskap om de elektriska behoven hos en given utrustning.

Före utvecklingen av kretskort var kretskortsmaterial mestadels täckta av bon av intrasslade, överlappande trådar som lätt kunde gå sönder vid vissa punkter. De kunde också kortsluta när åldrandet tog fäste och vissa trådar började spricka. Som man kunde förvänta sig var den manuella processen som ingick i kopplingen av dessa tidiga kort förvirrande och mödosam.

I takt med att en ökande mängd elektroniska komponenter för vardagsbruk började förlita sig på kretskort, inleddes kapplöpningen om att utveckla enklare och mer kompakta alternativ, och detta ledde till utvecklingen av materialet PCB. Med PCB-material kan kretsar dras mellan en mängd olika komponenter. Metallen som underlättar strömöverföringen mellan kortet och eventuella anslutna komponenter kallas lod, vilket också tjänar ett dubbelt syfte med sina vidhäftande egenskaper.

PCB-materialkomposition

Sammansättningen av ett kretskort består vanligtvis av fyra lager, som värmelamineras samman till ett enda lager. Materialet som används i kretskort inkluderar följande lager från topp till botten:

• Silkscreen

• Lödmask

• Koppar

• Underlag

Det sista av dessa lager, substrat, är tillverkat av glasfiber och är även känt som FR4, där FR-bokstäverna står för "flamskyddsmedel". Detta substratlager ger en solid grund för kretskort, även om tjockleken kan variera beroende på användningen av ett givet kort.

Det finns också ett billigare utbud av kort på marknaden som inte använder samma tidigare nämnda PCB-material utan istället består av fenoler eller epoxi. På grund av dessa korts värmekänslighet tenderar de att lätt förlora sin laminering. Dessa billigare kort är ofta lätta att identifiera genom lukten de avger när de löds.

Det andra lagret på ett kretskort är koppar, som lamineras på substratet med en blandning av värme och lim. Kopparlagret är tunt, och på vissa kort finns det två sådana lager – ett ovanför och ett under substratet. Kretskort med bara ett enda lager koppar tenderar att användas för billigare elektroniska enheter.

Det massivt använda kopparbeklädda laminatet (CCL) kan klassificeras i olika kategorier enligt olika klassificeringsstandarder, inklusive armeringsmaterial, använt hartslim, brandfarlighet och CCL-prestanda.

Ovanför den gröna lödmasken finns silkscreen-lagret, vilket lägger till bokstäver och numeriska indikatorer som gör ett kretskort läsbart för tekniska programmerare. Detta gör det i sin tur enklare för elektronikmontörer att placera varje kretskort på rätt plats och i rätt riktning på varje komponent. Silkscreen-lagret är vanligtvis vitt, även om färger som rött, gult, grått och svart också ibland används.

Tekniska termer för PCB-lager

Förutom att förstå hur kretskortet är uppbyggt i lager är det också viktigt att känna till följande tekniska termer som hör ihop med användningen av kretskort:

• Ringformad ring. Kopparringen som omger hålen på ett kretskort.

• DRC. En förkortning för designregelkontroll. I huvudsak är DRC en metod där en kretskorts design kontrolleras med avseende på funktionalitet. Detaljer som kontrolleras inkluderar bredden på spåren och borrhålen.

• Borrträff. Används för att beskriva alla hål på ett kretskort, oavsett om de är korrekta eller felplacerade. I vissa fall kan ett hål vara något felaktigt på grund av slö borrutrustning som används under produktionen.

• Finger. Metall som är exponerad längs kortkanten och fungerar som kopplingspunkter mellan två kretskort. Fingrar finns oftast på gamla videospel och minneskort.

• Musbitar. En del av kortet som har borrats för mycket till den grad att den hotar kretskortets strukturella integritet.

• Platta. Ett område av exponerad metall på ett kretskort, på vilket en lödd bit vanligtvis appliceras.

• Panel. Ett stort kretskort bestående av mindre kort, som så småningom separeras för individuell användning. Anledningen till denna praxis är att eliminera svårigheten som hanterare upplever när det gäller att hantera mindre kort.

• Lödpasta. En metallschablon på en platta, på vilken pasta appliceras för lödning.

• Plan. En större sektion av exponerad koppar på ett kretskort, som är markerad med kanter men saknar en bana.

• Pläterat genomgående hål. Ett hål som går rakt igenom ett kretskort, vanligtvis i syfte att ansluta en annan komponent. Hålet är pläterat och har vanligtvis en ringformad form.

• Spår. Alla hål som inte är runda. Kretskort med spår är ofta dyra på grund av produktionskostnaderna för att skapa udda formade hål på ett kretskort. Spår är vanligtvis inte pläterade.

• Ytmontering. En metod där externa komponenter monteras direkt på kortet utan användning av genomgående hål.

• Spår. En kontinuerlig kopparledning över ett kretskort.

• V-skav. En plats där kortet delvis har kapats. Detta kan göra ett kretskort sårbart för att gå av.

• Via. Ett hål genom vilket signaler färdas mellan lager. Vior ses i tältade och lösa versioner. Tältade versioner är täckta med en skyddande lödmask, medan de lösa viaerna används för kontaktdonsfästen.

Siffran som föregår ett lager hänvisar till det exakta antalet ledande lager, vare sig det är ett routing- eller plant lager – de två lagertyperna. Lager tenderar att ha siffran 1, eller något av de fyra följande jämna talen: 2, 4, 6, 8. Lagerkort har ibland udda tal, men dessa är sällsynta och skulle knappast göra någon skillnad. Till exempel skulle PCB-materialet i ett 5-lagers- eller 6-lagerskort vara praktiskt taget identiskt.

De två lagertyperna har olika funktioner. Routinglager har spår. Planlager fungerar som strömkontakter och har kopparplan. Planlager har också öar som bestämmer signaleringsändamålet för ett kort, vare sig det är 3.3 V eller 5 V.

FR4 är kodnamnet för glasfiberförstärkta epoxilaminerade skivor. Tack vare sin styrka, såväl som sin förmåga att motstå fukt och eld, är FR4 ett av de mest populära kretskortsmaterialen.

Ytterligare överväganden vid kretskortsdesign

En siffra som 1.6 mm används för att indikera tjockleken på en lagerplatta. På 4-lagersplatta är 1.6 mm standardmåttet. Tjocklek är något att hålla koll på när man väljer plattor till en enhet. Plattor med större tjocklek, till exempel, ger mer stöd när tunga anslutande föremål behöver stödjas.

Standardnivån för koppartjocklek på plana lager är 35 mikron. Alternativt anges koppartjocklek ibland i uns eller gram. Det är bäst att välja en högre koppartjocklek än normalt på kort som stöder många applikationer.

Spår är inte avsedda att överföra kraft, men detta kan ibland hända när signaler inte hanterar frekvenser ordentligt. Om problemet inte åtgärdas kan spåren förlora stora mängder kraft. För att få så mycket kraft som möjligt flyttad från ena sidan av ett spår till den andra måste spårets layout ta hänsyn till överföringsekvationer.

Generellt sett är två tum rätt spåravstånd på lagerkort som består av kopparspårigt FR4-kretskortsmaterial, förutsatt att signaltiden är en nanosekund. Man måste dock också ta hänsyn till effekterna av överföringsledningen för långa spårlängder, särskilt om signalintegriteten är avgörande. Internet är fullt av program och kalkylblad som är utformade för att hjälpa människor att göra korrekta impedansberäkningar för specifika lagerkort.

På de flesta kort är vias tomma, och man kan vanligtvis se rakt igenom dem. Det finns dock olika omständigheter under vilka vias kan fyllas. Till att börja med är det nödvändigt att viorna fylls för att skapa skyddande barriärer mot damm och andra föroreningar. För det andra kan vias fyllas för att öka strömmens bärförmåga, i vilket fall ledande material kan användas. En annan anledning till att vias kan fyllas är för att jämna ut ett kort.

Vior är vanligtvis fyllda med BGA-delar (ball grid array). Om kontakt uppstår mellan en BGA-stift och ett inre lager kan lödtenn glida genom viaen och över på ett annat lager. Därför fylls viorna för att säkerställa att lödtenn inte läcker till ett annat lager och att kontakternas integritet bibehålls som avsett.

En av de mer besvärliga händelserna på ett lagerkort är när en kontakt går av och sönder någonstans längs kortet. Ju oftare detta händer, desto snabbare riskerar den delen av kortet att ge upp helt. Den genomsnittliga hemelektronikanvändaren kommer att uppleva detta problem när en av knapparna på en miniräknare slutar fungera. Varje knapp trycker ner på en viss del av ett lagerkort, och när en punkt blir felaktig kan knappen som korrelerar med den punkten inte skicka sin signal.

Ett annat sätt som kontakter kan nötas ut på vissa ställen är när en sekundär kortplats placeras på ett moderkort. Om kortet hanteras dåligt kan en av fläckarna längs kortet skadas och sluta fungera därefter. Det bästa sättet att skydda de ytor på kortet som kommer i kontakt med varandra är att använda ett guldlager, vilket fungerar som en livslängdshöjande barriär. Guld kan dock vara dyrt och dess användning i flikarna lägger till ytterligare ett steg i processen för kretskortstillverkning.

PCB Lödmask

Den färg som de flesta känner till när det gäller moderkort är grön, färgen på lödmask. Även om det inte är alls lika vanligt, förekommer lödmask ibland även i andra färger, som röd eller blå. Lödmask är också känd under förkortningen LPISM, vilket står för flytande fotoimageable lödmask. Syftet med lödmask är att förhindra läckage av flytande lödtenn. På senare år har detta blivit vanligare på grund av brist på lödmask. Enligt de flesta föredrar dock användare i allmänhet kort som har lödmask framför kort som inte har det.

När lödmasken har applicerats på kretskortet utsätts kretskortet för smält lödtenn. Under denna process löds exponerade kopparytor. Detta är en del av en process som kallas varmluftslödutjämning (HASL). När SMD-chipsen löds uppvärms kortet till den punkt där lödtennet antar en smält form och komponenterna placeras på sin rätta plats. När lödtennet torkar löds även komponenterna. HASL innehåller vanligtvis bly som en av föreningarna i lödtennet, även om blyfria alternativ också finns.

Spårbreddens avstånd indikeras med ett streck. Om du till exempel ser siffran 6/6 mil, skulle det ange 6 mil som minsta spårbredd, såväl som minsta spåravstånd. Därför bör alla avstånd på det aktuella kortet antingen vara lika med eller överstiga 6 mil. För de som inte känner till det används mil-enheter för att bestämma avstånd på kretskortsmaterial. Bredd och avstånd är särskilt viktiga när det gäller kort som är konstruerade för att hantera höga mängder ström.

När ett kretskort är flerskiktat kan olika spår inte undersökas visuellt för att säkerställa att de är åtkomliga. Därför utförs ett test där sonder placeras i änden av spåren för att verifiera att alla signaler är nåbara. Testet utförs med spänning från ena änden. Om dessa spänningar avkänns från den andra sidan anses spåren vara i fungerande skick. Även om testet inte alltid är nödvändigt på kort med bara ett eller två lager, rekommenderas det fortfarande om du verkligen bryr dig om kvalitet.

Vior som förbinder inre och yttre lager kallas blinda vias. Namnet kommer från det faktum att sådana vias bara kan ses från ena sidan. Vior som förbinder två eller flera inre lager kallas begravda vias, vilka inte kan ses från utsidan på någon av sidorna. På kort som innehåller blinda och begravda vias används ofta viafyllning. Detta håller den yttre ytan säkrare och minskar risken för att lödtenn glider igenom och tränger igenom de inre viorna.

Materialval som påverkar kostnaden

PCB kostar vanligtvis mer när det innehåller funktioner som guldflikar, blinda eller begravda vias eller viafyllning. Likaså tenderar PCB med linje-/breddavstånd under 6 mil att kosta mer. Anledningen till dessa högre priser är den alternativa process som ingår i produktionen av ovanliga PCB-kort. På samma sätt visar sig vissa PCB-produktioner inte vara alls lika lönsamma eller framgångsrika när låga mils eller innervias används, och det högre priset är avsett att återvinna förluster. Det finns tillverkare som producerar PCB med linje-/breddmått så låga som 3 mils, men detta rekommenderas i allmänhet inte om det inte är ditt enda alternativ för en viss komponent.

Effekt och värmepåverkan på val av kretskortsmaterial

Av alla faktorer som påverkar kretskort är två av de mest intensiva effekt och värme. Därför är det avgörande att fastställa tröskelvärdena för var och en, vilket kan göras genom att bedöma kretskortets värmeledningsförmåga. Detta definierar hur effekt i watt omvandlas till temperatur genom materialets längd. Det finns dock inga etablerade branschövergripande värden för värmeledningsförmåga.

Till exempel har Rogers Corp. ett PCB-material, RT/duroid 5880, som ofta används inom elektronisk strömförsörjning och kommunikation. Materialets dielektriska konstant är låg, eftersom det är ett kompositmaterial som innehåller mikrofiberglaselement. Dessa mikrofibrer tjänar syftet att öka fiberns styrka i materialet.

På grund av denna låga dielektriska konstant är kretskortet idealiskt för applikationer som använder höga frekvenser. Men på grund av materialets låga värmeledningsförmåga kan det lätt värmas upp, vilket kan vara en stor nackdel i värmeintensiva applikationer.

PCB-material och industriella tillämpningar

För tillämpningar inom militären, flyg-, bil- och medicinindustrin tillverkas kretskort i både enkel- och dubbelsidiga varianter, varav vissa är kopparklädda och andra använder aluminium. Inom var och en av dessa industrier används materialet för maximal prestanda inom specifika områden. Därför väljs kretskortsmaterial ut för sin lätta vikt i vissa industrier eller för sin förmåga att hantera höga mängder effekt i andra. När prestandaegenskaper beaktas är det därför avgörande att avgöra vilka funktioner som behöver jämföras med varandra när man väljer kretskortsmaterial, eftersom materialnivåer korrelerar med prestandanivåer.

Flex- och Rigid-Flex-skivor

På senare år har flex- och rigid-flex-kort ökat i popularitet på grund av de alternativ de möjliggör för en mängd olika användningsområden. I grund och botten kan de böjas, vikas och till och med lindas runt föremål, så att de kan användas för att uppnå tillämpningar som aldrig skulle vara möjliga med platta kretskort. Till exempel kan ett flexkort användas för en utrustning som kräver att kortet viks i en vinkel och fortfarande transporterar ström från ena änden till den andra utan behov av anslutningspaneler.

Majoriteten av flexkorten på marknaden består av Kapton, en polyimidfilm som ursprungligen skapades av DuPont Corporation. Filmen har egenskaper som värmebeständighet, dimensionell konsistens och en dielektricitetskonstant på endast 3.6.

Kapton finns i tre Pyralux-versioner:

• Flamskyddsmedel (FR)

• Icke-flamskyddande (NFR)

• Limfri / högpresterande (AP)

Val av kretskortsmaterial – Kvalitet först

När det gäller att välja material för kretskort är kvalitet av yttersta vikt vid konstruktionen av alla typer av kort, oavsett om de är avsedda för hemelektronik eller industriell utrustning. En komponent som innehåller ett kretskort kan vara stor eller liten, billig eller dyr, men det viktigaste är att produkten i fråga erbjuder överlägsen prestanda under hela sin förväntade livslängd.

Även om det finns flera typer av kretskortsmaterial som används i ett givet kort, är produktens tillförlitlighet i slutändan vad konsumenter och företag letar efter i produkter som använder kretskort. Naturligtvis är det också avgörande att kretskortsmaterialen är tillräckligt starka för att hålla ihop, även om en komponent av misstag tappas eller stöts åt sidan.

På datoriserad utrustning, till exempel, säkerställer hållbara kretskort att hårdvaruuppdateringar kan göras utan att skada befintliga kretskortsmaterial. Detsamma gäller elektroniska apparater, mikrovågsugnar och andra hushållsapparater som är beroende av kretskortsteknik för att hålla sig i fungerande skick. Även på offentliga elektroniska anläggningar som bankomater måste kretskort fungera felfritt så att knappar fungerar och kommandon förstås utan dröjsmål.

At Wonderful PCB, erbjuder vi ett komplett utbud av kretskortstillbehör och monteringstjänster. Tack vare vår mer än 20 års affärserfarenhet och innovativa teknologier, Wonderful PCB kan hantera olika laminatmaterial och substratmaterial, inklusive FR4, Rogers etc., vilka är de mest populära och mest använda. Våra tjänster har använts av ingenjörer inom olika industrisektorer, med unika mål när det gäller drift och funktionalitet hos komponenter som använder kretskort. För att lära dig mer om våra tjänster, besök våra sidor med monteringsöversikt och funktioner eller kontakta oss för en omedelbar offert idag.