Όπως όλοι γνωρίζουμε, οι βασικές ιδιότητες του PCB (πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος) εξαρτώνται από την απόδοση του υλικού του υποστρώματος του. Επομένως, για να βελτιωθεί η απόδοση της πλακέτας κυκλώματος, πρέπει πρώτα να βελτιστοποιηθεί η απόδοση του υλικού του υποστρώματος. Μέχρι στιγμής, διάφορα νέα υλικά αναπτύσσονται και εφαρμόζονται για να ανταποκριθούν στις απαιτήσεις των νέων τεχνολογιών και των τάσεων της αγοράς.

Τα τελευταία χρόνια, οι πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων έχουν υποστεί μετασχηματισμό. Η αγορά έχει μετατοπιστεί κυρίως από τα παραδοσιακά προϊόντα υλικού, όπως οι επιτραπέζιοι υπολογιστές, στις ασύρματες επικοινωνίες, όπως οι διακομιστές και τα κινητά τερματικά. Οι συσκευές κινητής επικοινωνίας που αντιπροσωπεύονται από έξυπνα τηλέφωνα έχουν προωθήσει την ανάπτυξη PCB υψηλής πυκνότητας, ελαφρού βάρους και πολλαπλών λειτουργιών. Εάν δεν υπάρχει υλικό υποστρώματος και οι απαιτήσεις διεργασίας σχετίζονται στενά με την απόδοση του PCB, η τεχνολογία τυπωμένων κυκλωμάτων δεν θα υλοποιηθεί ποτέ. Επομένως, η επιλογή του υλικού υποστρώματος παίζει ζωτικό ρόλο στην παροχή της ποιότητας και της αξιοπιστίας του PCB και του τελικού προϊόντος.

Καλύψτε τις ανάγκες υψηλής πυκνότητας και λεπτών γραμμών

•Απαιτήσεις για φύλλο χαλκού

Όλες οι πλακέτες PCB κινούνται προς κυκλώματα υψηλότερης πυκνότητας και λεπτότερα, ειδικά HDI PCB (High Density Interconnect PCB). Πριν από δέκα χρόνια, το HDI PCB ορίστηκε ως PCB και το πλάτος γραμμής (L) και η απόσταση γραμμών (S) ήταν 0.1 mm ή λιγότερο. Ωστόσο, οι τρέχουσες τυπικές τιμές των L και S στη βιομηχανία ηλεκτρονικών μπορεί να είναι έως και 60 μm και σε προχωρημένες περιπτώσεις, οι τιμές τους μπορεί να είναι έως και 40 μm.

Πώς να προσδιορίσετε το υλικό υποστρώματος PCB σας

Η παραδοσιακή μέθοδος σχηματισμού διαγραμμάτων κυκλώματος είναι στη διαδικασία απεικόνισης και χάραξης. Με την εφαρμογή λεπτών υποστρωμάτων από φύλλο χαλκού (με πάχος από 9μm έως 12μm), η χαμηλότερη τιμή των L και S φτάνει τα 30μm.

Λόγω του υψηλού κόστους του λεπτού φύλλου χαλκού CCL (Copper Clad Laminate) και πολλών ελαττωμάτων στη στοίβα, πολλοί κατασκευαστές PCB τείνουν να χρησιμοποιούν τη μέθοδο του φύλλου χαλκού χάραξης και το πάχος του φύλλου χαλκού ορίζεται στα 18μm. Στην πραγματικότητα, αυτή η μέθοδος δεν συνιστάται γιατί περιέχει πάρα πολλές διαδικασίες, το πάχος είναι δύσκολο να ελεγχθεί και οδηγεί σε υψηλότερο κόστος. Ως αποτέλεσμα, το λεπτό φύλλο χαλκού είναι καλύτερο. Επιπλέον, όταν οι τιμές L και S της πλακέτας είναι μικρότερες από 20μm, το τυπικό φύλλο χαλκού δεν λειτουργεί. Τέλος, συνιστάται η χρήση εξαιρετικά λεπτού φύλλου χαλκού, γιατί το πάχος του χαλκού μπορεί να ρυθμιστεί στην περιοχή από 3μm έως 5μm.

Εκτός από το πάχος του φύλλου χαλκού, τα κυκλώματα ακριβείας ρεύματος απαιτούν επίσης μια επιφάνεια φύλλου χαλκού με χαμηλή τραχύτητα. Προκειμένου να βελτιωθεί η ικανότητα συγκόλλησης μεταξύ του φύλλου χαλκού και του υλικού του υποστρώματος και να διασφαλιστεί η αντοχή αποφλοίωσης του αγωγού, πραγματοποιείται αδρή επεξεργασία στο επίπεδο φύλλου χαλκού και η γενική τραχύτητα του φύλλου χαλκού είναι μεγαλύτερη από 5μm.

Η ενσωμάτωση του φύλλου χαλκού με καμπούρα ως υλικό βάσης στοχεύει στη βελτίωση της αντοχής του στο ξεφλούδισμα. Ωστόσο, προκειμένου να ελεγχθεί η ακρίβεια του ηλεκτροδίου μακριά από την υπερβολική χάραξη κατά τη χάραξη του κυκλώματος, τείνει να προκαλεί ρύπους καμπούρας, που μπορεί να προκαλέσει βραχυκύκλωμα μεταξύ των γραμμών ή μείωση της ικανότητας μόνωσης, που επηρεάζει ιδιαίτερα τα λεπτά κυκλώματα. Επομένως, απαιτείται φύλλο χαλκού με χαμηλή τραχύτητα (λιγότερο από 3 μm ή ακόμα και 1.5 μm).

Αν και η τραχύτητα του φύλλου χαλκού μειώνεται, είναι ακόμα απαραίτητο να διατηρηθεί η αντοχή αποκόλλησης του αγωγού, η οποία προκαλεί ειδική επιφανειακή επεξεργασία στην επιφάνεια του φύλλου χαλκού και του υλικού του υποστρώματος, η οποία βοηθά στη διασφάλιση της αντοχής αποκόλλησης του αγωγός.

• Απαιτήσεις για μόνωση διηλεκτρικών ελασμάτων

Ένα από τα κύρια τεχνικά χαρακτηριστικά του HDI PCB έγκειται στη διαδικασία κατασκευής. Το κοινώς χρησιμοποιούμενο RCC (χαλκός με επίστρωση ρητίνης) ή προεμποτισμένο ύφασμα από εποξειδικό γυαλί και πλαστικοποίηση φύλλου χαλκού σπάνια οδηγεί σε λεπτά κυκλώματα. Τώρα τείνει να χρησιμοποιεί SAP και MSPA, που σημαίνει την εφαρμογή μονωτικής διηλεκτρικής μεμβράνης πλαστικοποιημένης ηλεκτρολυτικής χαλκού για την παραγωγή αγώγιμων επιπέδων χαλκού. Επειδή το χάλκινο επίπεδο είναι λεπτό, μπορούν να παραχθούν λεπτά κυκλώματα.

Ένα από τα βασικά σημεία της SAP είναι η πλαστικοποίηση διηλεκτρικών υλικών. Προκειμένου να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις των κυκλωμάτων ακριβείας υψηλής πυκνότητας, πρέπει να προβληθούν ορισμένες απαιτήσεις για τα ελασματοποιημένα υλικά, συμπεριλαμβανομένων των διηλεκτρικών ιδιοτήτων, της μόνωσης, της αντοχής στη θερμότητα και της συγκόλλησης, καθώς και της τεχνικής προσαρμοστικότητας συμβατής με HDI PCB.

Στην παγκόσμια συσκευασία ημιαγωγών, τα υποστρώματα συσκευασίας IC μετατρέπονται από κεραμικά υποστρώματα σε οργανικά υποστρώματα. Το βήμα των υποστρωμάτων συσκευασίας FC γίνεται όλο και μικρότερο, επομένως η τρέχουσα τυπική τιμή των L και S είναι 15 μm και θα είναι μικρότερη.

Η απόδοση των πολυστρωματικών υποστρωμάτων θα πρέπει να δίνει έμφαση στις χαμηλές διηλεκτρικές ιδιότητες, στον χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής (CTE) και στην υψηλή θερμική αντίσταση, που αναφέρεται σε υποστρώματα χαμηλού κόστους που πληρούν τους στόχους απόδοσης. Σήμερα, η τεχνολογία διηλεκτρικής στοίβαξης μόνωσης MSPA συνδυάζεται με λεπτό φύλλο χαλκού για χρήση στη μαζική παραγωγή κυκλωμάτων ακριβείας. Το SAP χρησιμοποιείται για την κατασκευή μοτίβων κυκλωμάτων με τιμές L και S μικρότερες από 10 μm.

Η υψηλή πυκνότητα και η λεπτότητα των PCB έχουν προκαλέσει τη μετάβαση των PCB HDI από την πλαστικοποίηση με πυρήνες σε πυρήνες οποιουδήποτε στρώματος. Για PCB HDI με την ίδια λειτουργία, η περιοχή και το πάχος των PCB που διασυνδέονται σε οποιοδήποτε στρώμα μειώνονται κατά 25% σε σύγκριση με εκείνα με ελάσματα πυρήνα. Είναι απαραίτητο να εφαρμοστεί ένα λεπτότερο διηλεκτρικό στρώμα με καλύτερες ηλεκτρικές ιδιότητες σε αυτά τα δύο PCB HDI.

Απαιτεί εξαγωγή από υψηλή συχνότητα και υψηλή ταχύτητα

Η τεχνολογία ηλεκτρονικών επικοινωνιών κυμαίνεται από ενσύρματη έως ασύρματη, από χαμηλή συχνότητα και χαμηλή ταχύτητα έως υψηλή συχνότητα και υψηλή ταχύτητα. Η απόδοση των smartphone έχει εξελιχθεί από 4G σε 5G, απαιτώντας μεγαλύτερες ταχύτητες μετάδοσης και μεγαλύτερους όγκους μετάδοσης.

Η έλευση της παγκόσμιας εποχής του cloud computing οδήγησε σε πολλαπλή αύξηση της κίνησης δεδομένων και υπάρχει σαφής τάση για εξοπλισμό επικοινωνίας υψηλής συχνότητας και υψηλής ταχύτητας. Για να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις μετάδοσης υψηλής συχνότητας και υψηλής ταχύτητας, εκτός από τη μείωση των παρεμβολών και της κατανάλωσης σήματος, η ακεραιότητα και η κατασκευή του σήματος είναι συμβατά με τις απαιτήσεις σχεδιασμού του σχεδιασμού PCB, τα υλικά υψηλής απόδοσης είναι το πιο σημαντικό στοιχείο.

Η κύρια δουλειά ενός μηχανικού είναι να μειώσει τις ιδιότητες της απώλειας ηλεκτρικού σήματος για να αυξήσει την ταχύτητα PCB και να λύσει προβλήματα ακεραιότητας σήματος. Βάσει των δέκα και πλέον ετών υπηρεσιών κατασκευής της PCBCart, ως βασικός παράγοντας που επηρεάζει την επιλογή του υλικού υποστρώματος, όταν η διηλεκτρική σταθερά (Dk) είναι μικρότερη από 4 και η διηλεκτρική απώλεια (Df) είναι μικρότερη από 0.010, θεωρείται ενδιάμεσο πολυστρωματικό Dk/Df Όταν το Dk είναι χαμηλότερο από 3.7 και το Df χαμηλότερο από 0.005, θεωρείται πολυστρωματικό υλικό με χαμηλό Dk/Df. Επί του παρόντος, μια ποικιλία υλικών υποστρώματος είναι διαθέσιμη στην αγορά.

Μέχρι στιγμής, υπάρχουν κυρίως τρεις τύποι υλικών υποστρώματος πλακέτας κυκλωμάτων υψηλής συχνότητας που χρησιμοποιούνται συνήθως: ρητίνες με βάση το φθόριο, ρητίνες PPO ή PPE και τροποποιημένες εποξειδικές ρητίνες. Τα διηλεκτρικά υποστρώματα της σειράς φθορίου, όπως το PTFE, έχουν τις χαμηλότερες διηλεκτρικές ιδιότητες και χρησιμοποιούνται συνήθως για προϊόντα με συχνότητα 5 GHz ή μεγαλύτερη. Η τροποποιημένη εποξική ρητίνη FR-4 ή υπόστρωμα PPO είναι κατάλληλο για προϊόντα με εύρος συχνοτήτων από 1 GHz έως 10 GHz.

Συγκρίνοντας τα τρία υλικά υποστρώματος υψηλής συχνότητας, η εποξική ρητίνη έχει τη χαμηλότερη τιμή, αν και η ρητίνη φθορίου έχει την υψηλότερη τιμή. Όσον αφορά τη διηλεκτρική σταθερά, τη διηλεκτρική απώλεια, την απορρόφηση νερού και τα χαρακτηριστικά συχνότητας, οι ρητίνες με βάση το φθόριο αποδίδουν καλύτερα, ενώ οι εποξειδικές ρητίνες έχουν χειρότερη απόδοση. Όταν η συχνότητα που εφαρμόζεται από το προϊόν είναι μεγαλύτερη από 10 GHz, θα λειτουργήσει μόνο η ρητίνη με βάση το φθόριο. Τα μειονεκτήματα του PTFE περιλαμβάνουν το υψηλό κόστος, την κακή ακαμψία και τον υψηλό συντελεστή θερμικής διαστολής.

Για το PTFE, οι χύδην ανόργανες ουσίες (όπως το πυρίτιο) μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως υλικά πλήρωσης ή γυάλινο ύφασμα για ενίσχυση της ακαμψίας του υλικού του υποστρώματος και μείωση του συντελεστή θερμικής διαστολής. Επιπλέον, λόγω της αδράνειας των μορίων PTFE, είναι δύσκολο για τα μόρια PTFE να συνδεθούν με το φύλλο χαλκού, επομένως πρέπει να πραγματοποιηθεί ειδική επεξεργασία επιφάνειας συμβατή με το φύλλο χαλκού. Η μέθοδος επεξεργασίας είναι να πραγματοποιηθεί χημική χάραξη στην επιφάνεια του πολυτετραφθοροαιθυλενίου για να αυξηθεί η τραχύτητα της επιφάνειας ή να προστεθεί μια συγκολλητική μεμβράνη για να αυξηθεί η ικανότητα πρόσφυσης. Με την εφαρμογή αυτής της μεθόδου, οι διηλεκτρικές ιδιότητες μπορεί να επηρεαστούν και ολόκληρο το κύκλωμα υψηλής συχνότητας με βάση το φθόριο πρέπει να αναπτυχθεί περαιτέρω.

Μοναδική μονωτική ρητίνη που αποτελείται από τροποποιημένη εποξειδική ρητίνη ή PPE και TMA, MDI και BMI, συν γυάλινο ύφασμα. Παρόμοια με το FR-4 CCL, έχει επίσης εξαιρετική αντοχή στη θερμότητα και διηλεκτρικές ιδιότητες, μηχανική αντοχή και δυνατότητα κατασκευής PCB, τα οποία το καθιστούν πιο δημοφιλές από τα υποστρώματα που βασίζονται σε PTFE.

Εκτός από τις απαιτήσεις απόδοσης των μονωτικών υλικών όπως οι ρητίνες, η τραχύτητα της επιφάνειας του χαλκού ως αγωγού είναι επίσης ένας σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει την απώλεια μετάδοσης σήματος, η οποία είναι αποτέλεσμα του φαινομένου του δέρματος. Βασικά, το αποτέλεσμα του δέρματος είναι ότι η ηλεκτρομαγνητική επαγωγή που δημιουργείται στη μετάδοση σήματος υψηλής συχνότητας και το επαγωγικό καλώδιο συγκεντρώνεται τόσο πολύ στο κέντρο της περιοχής διατομής του ηλεκτροδίου και το ρεύμα ή το σήμα οδήγησης εστιάζεται στο επιφάνεια του μολύβδου. Η τραχύτητα της επιφάνειας του αγωγού παίζει βασικό ρόλο στον επηρεασμό της απώλειας του σήματος μετάδοσης και η χαμηλή τραχύτητα οδηγεί σε πολύ μικρή απώλεια.

Στην ίδια συχνότητα, η υψηλή τραχύτητα επιφάνειας του χαλκού θα προκαλέσει υψηλή απώλεια σήματος. Επομένως, η τραχύτητα του επιφανειακού χαλκού πρέπει να ελέγχεται στην πραγματική κατασκευή και θα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν χαμηλότερη χωρίς να επηρεάζεται η πρόσφυση. Μεγάλη προσοχή πρέπει να δοθεί σε σήματα στην περιοχή συχνοτήτων των 10 GHz και άνω. Η τραχύτητα του φύλλου χαλκού απαιτείται να είναι μικρότερη από 1μm και είναι καλύτερο να χρησιμοποιείτε φύλλο χαλκού υπερεπιφανείας με τραχύτητα 0.04μm. Η τραχύτητα της επιφάνειας του φύλλου χαλκού πρέπει να συνδυάζεται με κατάλληλο σύστημα επεξεργασίας οξείδωσης και ρητίνης συγκόλλησης. Στο εγγύς μέλλον, μπορεί να υπάρχει ένα φύλλο χαλκού χωρίς ρητίνη επικαλυμμένη με προφίλ, το οποίο έχει υψηλότερη αντοχή αποφλοίωσης για να αποτρέψει την επίδραση της διηλεκτρικής απώλειας.

Απαιτεί υψηλή θερμική αντίσταση και υψηλή διάχυση

Με την αναπτυξιακή τάση της σμίκρυνσης και της υψηλής λειτουργικότητας, ο ηλεκτρονικός εξοπλισμός τείνει να παράγει περισσότερη θερμότητα, επομένως οι απαιτήσεις θερμικής διαχείρισης του ηλεκτρονικού εξοπλισμού γίνονται όλο και πιο απαιτητικές. Μία από τις λύσεις σε αυτό το πρόβλημα βρίσκεται στην έρευνα και ανάπτυξη θερμικά αγώγιμων PCB. Η βασική προϋπόθεση για να αποδώσει καλά το PCB όσον αφορά την αντοχή στη θερμότητα και τη διάχυση είναι η αντίσταση στη θερμότητα και η ικανότητα διάχυσης του υποστρώματος. Η τρέχουσα βελτίωση στη θερμική αγωγιμότητα του PCB έγκειται στη βελτίωση της ρητίνης και της προσθήκης πλήρωσης, αλλά λειτουργεί μόνο σε περιορισμένη κατηγορία. Η τυπική μέθοδος είναι η χρήση IMS ή PCB μεταλλικού πυρήνα, τα οποία λειτουργούν ως θερμαντικά στοιχεία. Σε σύγκριση με τα παραδοσιακά καλοριφέρ και τους ανεμιστήρες, αυτή η μέθοδος έχει τα πλεονεκτήματα του μικρού μεγέθους και του χαμηλού κόστους.

Το αλουμίνιο είναι ένα πολύ ελκυστικό υλικό με τα πλεονεκτήματα των άφθονων πόρων, του χαμηλού κόστους και της καλής θερμικής αγωγιμότητας. Και ένταση. Επιπλέον, είναι τόσο φιλικό προς το περιβάλλον που χρησιμοποιείται από τα περισσότερα μεταλλικά υποστρώματα ή μεταλλικούς πυρήνες. Λόγω των πλεονεκτημάτων της οικονομίας, της αξιόπιστης ηλεκτρικής σύνδεσης, της θερμικής αγωγιμότητας και της υψηλής αντοχής, οι πλακέτες κυκλωμάτων χωρίς συγκόλληση και χωρίς μόλυβδο έχουν χρησιμοποιηθεί σε καταναλωτικά προϊόντα, αυτοκίνητα, στρατιωτικές προμήθειες και αεροδιαστημικά προϊόντα. Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι το κλειδί για την αντοχή στη θερμότητα και την απόδοση απαγωγής του μεταλλικού υποστρώματος βρίσκεται στην πρόσφυση μεταξύ της μεταλλικής πλάκας και του επιπέδου κυκλώματος.

Πώς να προσδιορίσετε το υλικό υποστρώματος του PCB σας;

Στη σύγχρονη ηλεκτρονική εποχή, η σμίκρυνση και η λεπτότητα των ηλεκτρονικών συσκευών έχει οδηγήσει στην εμφάνιση άκαμπτων PCB και εύκαμπτων/άκαμπτων PCB. Τι είδους υλικό υποστρώματος είναι λοιπόν κατάλληλο για αυτούς;

Οι αυξημένες περιοχές εφαρμογής των άκαμπτων PCB και των εύκαμπτων/άκαμπτων PCB έφεραν νέες απαιτήσεις όσον αφορά την ποσότητα και την απόδοση. Για παράδειγμα, οι μεμβράνες πολυιμιδίου μπορούν να ταξινομηθούν σε διάφορες κατηγορίες, συμπεριλαμβανομένων διαφανών, λευκών, μαύρων και κίτρινων, με υψηλή αντοχή στη θερμότητα και χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής για εφαρμογή σε διαφορετικές καταστάσεις. Ομοίως, το οικονομικό υπόστρωμα πολυεστερικής μεμβράνης θα γίνει αποδεκτό από την αγορά λόγω της υψηλής ελαστικότητας, της σταθερότητας διαστάσεων, της ποιότητας επιφάνειας του φιλμ, της φωτοηλεκτρικής σύζευξης και της περιβαλλοντικής αντίστασης, για να καλύψει τις μεταβαλλόμενες ανάγκες των χρηστών.

Παρόμοια με το άκαμπτο HDI PCB, το εύκαμπτο PCB πρέπει να πληροί τις απαιτήσεις μετάδοσης σήματος υψηλής ταχύτητας και υψηλής συχνότητας και πρέπει να δοθεί προσοχή στη διηλεκτρική σταθερά και τη διηλεκτρική απώλεια του εύκαμπτου υλικού υποστρώματος. Το εύκαμπτο κύκλωμα μπορεί να αποτελείται από πολυτετραφθοροαιθυλένιο και προηγμένο υπόστρωμα πολυιμιδίου. Ανόργανη σκόνη και ανθρακονήματα μπορούν να προστεθούν στη ρητίνη πολυιμιδίου για να καταλήξουν σε ένα εύκαμπτο θερμικά αγώγιμο υπόστρωμα τριών στρωμάτων. Το ανόργανο υλικό πλήρωσης μπορεί να είναι νιτρίδιο αργιλίου, οξείδιο αλουμινίου ή εξαγωνικό νιτρίδιο βορίου. Αυτός ο τύπος υλικού υποστρώματος έχει θερμική αγωγιμότητα 1.51 W/mK, μπορεί να αντισταθεί σε τάση 2.5 kV και καμπυλότητα 180 μοιρών.