Выбор неправильных материалов может разрушить функциональность вашей печатной платы. Термические сбои, потеря сигнала и механические поломки часто являются следствием неправильного выбора материала. Но как избежать этих ловушек?
PCB stackups[^1] сочетают проводящие медные слои с диэлектрическими подложками (например, FR-4, полиимид или ламинаты Rogers) и клеевыми препрегами. Выбор материала позволяет сбалансировать термическую стабильность, целостность сигнала и стоимость. Например, высокоскоростные конструкции[^2] нуждаются в материалах с низкими потерями, в то время как гибкие схемы требуют гибких полимеров.
Материалы определяют производительность печатной платы, но детали имеют значение. Давайте разберем основные соображения по выбору сердечника/препрега, высокоскоростных и высокотемпературных приложений, влиянию веса меди и требованиям к гибкой печатной плате.
Что такое материалы сердечника и препрега в стеке печатных плат?
Смешивание материалов сердечника и препрега[^3] приводит к риску расслоения. Проектировщики часто путают их роли. В чем функциональное различие?
Сердечники — это жесткие диэлектрические слои с медной фольгой (например, листы FR-4), в то время как препреги — это полуотвержденные адгезионные смолы, склеивающие сердечники. Сердечники обеспечивают структурную стабильность, а препреги позволяют укладывать многослойные слои посредством ламинирования.
)
Основные различия между сердечником и препрегом
| Особенность | Сердечник | Препрег |
|---|---|---|
| Состояние | Полностью отвержденный | Полуотвержденный (B-стадия) |
| Функция | Структурный базовый слой | Клей для склеивания слоев |
| Склеивание меди | Предварительно прикрепленная медная фольга | Без меди (наносится во время ламинирования) |
| Толщина | Фиксированная (например, 0,2 мм, 0,4 мм) | Регулируется через содержание смолы |
Сердечники действуют как отдельные слои, в то время как препреги текут во время ламинирования, заполняя зазоры. Для приложений с высокой Tg используйте сердечники с температурой стеклования выше 170 °C. Содержание смолы в препреге (например, 50% -60%) влияет на толщину диэлектрика и управление импедансом. Шестислойная плата может быть сложена следующим образом: Ядро → Препрег → Ядро → Препрег → Ядро.
Как выбрать диэлектрические материалы для высокоскоростных и высокотемпературных приложений?
Печатная плата антенны 5G вышла из строя из-за потери сигнала. Виновник? Неправильный диэлектрический материал. Как нам подобрать материалы для потребностей приложения?
Для высокоскоростных конструкций (>1 ГГц) используйте ламинаты с низкими потерями[^4], такие как Rogers RO4350B (Dk=3,48, Df=0,0037). Для высокотемпературных сред (например, автомобильных) выбирайте FR-4 с Tg > 180°C или полиимид[^5] (Tg ~260°C).
)
Руководство по выбору материала
| Применение | Параметры материала | Основные свойства |
|---|---|---|
| Высокоскоростной | Rogers RO4000, Isola I-Speed | Низкий Df (180°C, CTE < 50 ppm/°C |
| Чувствительность к стоимости | Стандартный FR-4 | Dk=4,5, Df=0,02, Tg ~130°C |
Высокоскоростные сигналы требуют материалов с минимальным коэффициентом рассеяния (Df)[^6] для снижения затухания. Например, Rogers RO4835 снижает потери на 30% по сравнению с FR-4 при 10 ГГц. В условиях высоких температур полиимид выдерживает повторяющиеся тепловые циклы, но стоит в 3 раза дороже, чем FR-4. Всегда перепроверяйте спецификации производителя на CTE и поглощение влаги.
Влияет ли вес меди на целостность сигнала в конструкции печатной платы?
Конструкция из меди весом 2 унции вызвала импеданс несоответствия, задерживающие запуск продукта. Какой толщины должна быть медь для оптимальной производительности?
Более тяжелая медь (≥2 унций) увеличивает токовую емкость, но ухудшает потери из-за скин-эффекта на высоких частотах. Используйте 0,5–1 унцию меди для сигналов выше 5 ГГц и 2–3 унции для силовых плоскостей.
Вес меди против производительности сигнала
| Вес меди[^7] | Толщина (мкм) | Лучший вариант использования | Недостатки |
|---|---|---|---|
| 0,5 унции | 17,5 | Высокоскоростные трассы (5-20 ГГц) | Ограниченная токовая емкость |
| 1 унция | 35 | Сигналы общего назначения | Умеренные потери при 10+ГГц |
| 2 унции | 70 | Силовые/заземляющие плоскости | Проблемы управления импедансом |
Более толстая медь снижает сопротивление (R = ρ/(толщина × ширина)), но увеличивает паразитную емкость. Медная дорожка толщиной 1 унция на частоте 10 ГГц имеет потери ~0,15 дБ/дюйм, тогда как 2 унции добавляют ~0,25 дБ/дюйм. Для гибридных стеков используйте тонкую медь для сигнальных слоев и тяжелую медь для распределения питания.
Почему для гибких печатных плат требуются другие материалы для стека, чем для жестких плат?
Жесткий материал печатной платы сломался после 200 циклов изгиба в носимом устройстве. Для гибких схем нужны совершенно другие стратегии материалов.
В гибких печатных платах используются полиимидные пленки (например, DuPont Pyralux) вместо FR-4. Эти материалы выдерживают многократный изгиб (более 5000 циклов) и имеют более низкий модуль Юнга (5 ГПа против 20 ГПа у FR-4).
)
Сравнение материалов гибких и жестких печатных плат
| Свойство | Материал гибких печатных плат | Материал жестких печатных плат |
|---|---|---|
| Базовый диэлектрик | Полиимид (12-25 мкм) | FR-4 (100-400 мкм) |
| Клей | Акрил или эпоксидная смола | Эпоксидная смола с высокой температурой стеклования |
| Радиус изгиба | 6-кратная толщина материала | Не предназначен для изгиба |
| Теплопроводность | 0,12 Вт/мК | 0,3 Вт/мК |
Гибкость полиимида имеет свою цену: он поглощает 1,5% влаги (по сравнению с 0,1% у FR-4), что требует запекания перед сборкой. Клеи в гибких пакетах тоньше (10–25 мкм) для сохранения гибкости. Для динамического изгиба используйте прокатанную отожженную медь (RA) вместо электроосажденной (ED) меди, чтобы предотвратить растрескивание.
Заключение
Выбор материала печатной платы зависит от электрических, термических и механических потребностей. Сопоставьте диэлектрические свойства со скоростью сигнала, вес меди с требованиями к току, а базовые материалы с требованиями к жесткости/гибкости для надежной работы.
[^1]: Понимание стеков печатных плат имеет решающее значение для оптимизации производительности и избежания распространенных ошибок проектирования. Изучите эту ссылку для получения более подробной информации.
[^2]: Выбор правильных материалов для высокоскоростных конструкций может значительно повысить производительность. Ознакомьтесь с рекомендациями и идеями экспертов здесь.
[^3]: Понимание различий между материалами сердцевины и препрега имеет важное значение для эффективного проектирования печатных плат. Этот ресурс прояснит их роль и применение.
[^4]: Изучите эту ссылку, чтобы понять преимущества ламинатов с низкими потерями в улучшении целостности сигнала для высокоскоростных приложений.
[^5]: Узнайте, почему полиимид является предпочтительным выбором для высокотемпературных сред, и как он влияет на производительность.
[^6]: Узнайте о критической роли коэффициента рассеяния в минимизации потерь сигнала и улучшении производительности печатных плат.
[^7]: Понимание веса меди имеет решающее значение для оптимизации проектирования печатных плат, влияющего на целостность сигнала и управление температурой.
