Материалы печатных плат. Основные типы базовых материалов.

Печатная плата (ПП) — это фундамент любого электронного устройства. Выбор материала печатной платы определяет уровень надёжности и производительности конечного продукта. В общей стоимости разработки и изготовления электронной сборки цена материалов зачастую составляет всего лишь проценты или доли процента (не всегда), но именно правильный выбор материала будет влиять на электрические и механические характеристики, термическую стабильность и долговечность электронных изделий.

Далее вы найдёте руководство по выбору подходящего материала печатной платы для вашего проекта. Мы расскажем о различных типах материалов ПП, их характеристиках и преимуществах, а также проанализируем факторы, которые следует учитывать при выборе базового материала.

Разные материалы обеспечивают основу для различных слоев платы. Эти материалы играют решающую роль в формировании электрических и механических характеристик платы, гарантируя надлежащую функциональность и долговечность.

В целом, материалы печатных плат можно разделить на четыре основные категории:

Материалы подложки

Материалы подложки являются основой для создания ядра печатной платы. Они обеспечивают механическую поддержку и жесткость платы, а также играют важную роль в предотвращении её деформации и повреждений. Материалы подложки могут быть изготовлены из различных материалов, таких как хлопковая бумага, стекловолокно или углеродная нить. Самый популярный материал — FR-4 призводится из стекловолокна и эпоксидной смолы.

Проводящие материалы

Проводящие материалы, такие как медь или алюминий, используются для создания электрических соединений между компонентами и слоями на печатной плате, линий питания и заземления. Они обеспечивают проводимость электрического тока и играют решающую роль в формировании электрических свойств платы. Наиболее часто используется медь (Cu). Она недорога, легко обрабатывается и обладает отличными электрическими и физическими характеристиками. Также часто применяются золото, серебро, олово и другие металлы с хорошей проводимостью.

Диэлектрические материалы

Диэлектрические материалы, такие как эпоксидная смола или полиимид, используются для разделения проводящих слоев и предотвращения помех сигнала. Они обеспечивают изоляцию между электрическими компонентами и, так же как и проводящие материалы, играют важную роль в формировании электрических свойств платы.

Материалы паяльной маски

Материалы паяльной маски используются для создания защитного слоя на медных дорожках, предотвращая окисление и коррозию. Они обеспечивают долговечность и надежность платы, а также играют решающую роль в формировании электрических характеристик платы. Основная задача паяльной маски — обеспечить прохождение процесса монтажа, защитив дорожки от образования мостиков припоя и поверхность платы от прилипания припоя в целом.

Базовые материалы — это фундаментальная основа, на которой создаются сложные проводящие схемы печатной платы. Базовый материал обеспечивает прочную основу для токопроводящего рисунка печатной схемы и поддерживает механическую стабильность компонентов и паяных соединений.

Выбор правильного базового материала является важным фактором и оказывает существенное влияние на производительность и надёжность ПП. Каждый базовый материал обладает своими уникальными свойствами и характеристиками, которые делают его подходящим для конкретных применений.

Материалы печатных плат играют важную роль в обеспечении работоспособности и надежности печатной платы, выполняя различные функции, которые взаимосвязаны и влияют на общую производительность платы.

Четыре ключевые функции материалов печатных плат: механическая поддержка, электрические характеристики, управление рассеиванием тепла и устойчивость платы к условиям эксплуатации (окружающей среды). Далее мы проанализируем влияние выбора материала на свойства печатной платы и дадим рекомендации для проектировщиков.

Механическая поддержка

Материал подложки образует ядро ​​печатной платы, обеспечивая механическую поддержку и жесткость платы, что имеет решающее значение для поддержания структурной целостности платы во время сборки, обработки и эксплуатации.

Хотя выбор материала подложки может казаться простым, он играет важную роль в обеспечении механических свойств платы. Выбирая материал подложки, проектировщики должны учитывать такие факторы, как жесткость, гибкость и устойчивость к механическим нагрузкам.

Электрические характеристики

Проводящие материалы, такие как медь, создают электрические соединения между компонентами на печатной плате. Выбор проводящего материала и его толщина могут влиять на электрические характеристики платы, включая целостность сигнала, сопротивление и емкость.

Диэлектрические материалы также играют роль в электрических характеристиках, разделяя проводящие слои и предотвращая помехи сигнала. Выбор диэлектрического материала и его толщина могут существенно повлиять на электрические характеристики платы.

Управление рассеиванием тепла

Эффективное управление теплоотводом имеет важное значение для поддержания производительности и работоспособности электронных компонентов на печатной плате. Выбор материала печатной платы может существенно повлиять на тепловые характеристики платы.

Материалы с высокой теплопроводностью, такие как материалы с металлическим сердечником, могут помочь более эффективно рассеивать тепло, снижая риск выхода компонента из строя из-за перегрева. Кроме того, некоторые материалы печатных плат содержат специальные добавки для улучшения теплопроводности.

Защита от воздействия условий окружающей среды

Материалы печатной платы должны выдерживать различные условия окружающей среды, такие как колебания температуры, влажность и химическое воздействие. Материалы паяльной маски защищают медные дорожки от окисления, коррозии и коротких замыканий.

Свойства материала подложки также могут влиять на устойчивость платы к поглощению влаги и тепловому расширению. Выбирая материал печатной платы, проектировщики должны учитывать потенциальное влияние окружающей среды на свойства платы.

Тепловые свойства — это ключевые параметры, которые определяют долговечность и эффективность печатной платы. Важно выбирать материалы с подходящими термическими характеристиками для обеспечения надёжной работы будущей платы в проектных условиях эксплуатации.

Температура стеклования: Tg

Температура стеклования (Tg) — это температура, при которой материал переходит из жёсткого состояния в более гибкое (стеклообразное → резиноподобное). Высокое значение Tg гарантирует, что плата сохранит свои форму и свойства при высоких температурах во время монтажа и последующей эксплуатации. Например, FR-4 имеет типичный диапазон температур стеклования от 130 °C до 180 °C. Этого достаточно для большинства стандартных электронных устройств. Однако материалы с более высокими значениями Tg, такие как полиимидные или керамические подложки, могут быть необходимы для высокотемпературных узлов или конструкций со значительными термическими циклами.

Полиимид имеет температуру стеклования около 280 °C — 350 °C, что делает его пригодным для высокотемпературных устройств и даёт контролируемое тепловое расширение и устойчивость к деформации. Керамические подложки, такие как оксид алюминия и нитрид алюминия, имеют еще более высокие значения Tg, обеспечивая исключительную термическую стабильность и также низкие коэффициенты термического расширения.

Температура разложения: Td

Температура разложения (Td) — параметр, который определяет стабильность материала. Это температура, при которой материал начинает разрушаться. Высокое значение Td обеспечивает защиту от разложения и сохраняет структуру материла в течение всей эксплуатации.

В цифрах — это температура, при которой происходит химическое разложение материала печатной платы (материал теряет не менее 5% массы), которая определяется в соответствии с методом 2.4.24.6 IPC-TM-650. Как и Tg, Td выражается в единицах градусов Цельсия (°С). Этот параметр определяет термическую стойкость материала.

Td подложки является важным параметром, который влияет на выбор технологии сборки платы. В отличие от Tg, при остывании ниже которой материал вернётся в прежнее состояние, превышение температуры разрушения необратимо, материал будет уничтожен. Выбирайте базовый материал печатной платы, с которым вы сможете работать в диапазоне температур выше Tg, но значительно ниже Td. Большинство температур пайки во время типовой сборки печатной платы находятся в диапазоне от 200 °С до 250 °С, поэтому убедитесь, что Td выше.

Коэффициент линейного температурного расширения

КЛТР или КТР (коэффициент теплового расширения) (англ. CTE) — это скорость, с которой материал расширяется или сжимается при изменении температуры. Низкое значение КТР снижает риск возникновения напряжений из-за разницы в расширении материала, дорожек и компонентов на нём и их повреждений вследствие неравномерного нагрева или повторяющихся циклов нагрев/охлаждение.

Теплопроводность

Теплопроводность — это способность материала проводить тепло. Высокая теплопроводность позволяет рассеивать тепло, выделяемое компонентами во время работы, и снижает риск перегрева и выхода из строя компонента и платы в целом.

Она измеряется в ваттах на метр-кельвин (Вт/м·К) и представляет собой скорость, с которой тепло может передаваться через материал.

Материалы с высокой теплопроводностью могут более эффективно рассеивать тепло. Например, материалы с металлическим сердечником из алюминия или меди имеют значительно более высокую теплопроводность, чем подложки FR-4. Алюминиевые подложки имеют теплопроводность около 1 Вт/м·К — 3 Вт/м·К в зависимости от диэлектрического материала, в то время как медные дают теплопроводность около 8 Вт/м·К.

Напротив, FR-4 имеет относительно низкую теплопроводность около 0,3 Вт/м·К, что затрудняет эффективное рассеивание тепла в конструкциях высокой мощности или высокой плотности. В таких случаях следует выбирать альтернативные материалы с более высокой теплопроводностью, напрмер, высокотемпературные материалы, такие как полиимид. Также для описываемой ситуации подходит конструкция печатной платы с металлическим сердечником.

Диэлектрическая проницаемость

Относительная диэлектрическая проницаемость или диэлектрическая постоянная (Dk — Dielectric Constant или Εr — Epsilon R) — это величина, характеризующая способность материала сохранять электрический заряд (ёмкость). Материал классифицируется как «диэлектрик», если он способен запасать энергию при приложении внешнего электрического поля. В диэлектрике нет «свободных» электронов, соответственно, при нахождении в электрическом поле в материале не возникает движения зарядов. Константа показывает, во сколько (ε) раз напряжённость поля уменьшается внутри диэлектрика по сравнению с вакуумом (ε0). Типичное значение Dk для материалов печатных плат находится в пределах 2-12. Это важное свойство, так как оно напрямую влияет на скорость и затухание сигнала. Чем выше диэлектрическая константа, тем выше потеря сигнала и ниже его скорость. Dk — безразмерная величина.

Более низкая диэлектрическая проницаемость обычно ведёт к более быстрому распространению сигнала и уменьшению его потерь, что делает материалы с низкими значениями Dk предпочтительными для высокоскоростных и высокочастотных приложений. Например, FR-4 имеет типичную диэлектрическую проницаемость около 4,2–4,8. Полиимид имеет Dk приблизительно от 3,2 до 3,6, а жидкокристаллический полимер (LCP) имеет Dk около 2,9. PTFE имеет еще более низкую диэлектрическую проницаемость, чем FR-4, что означает, что он может передавать сигналы на более высоких частотах с меньшим затуханием. Эти различия в диэлектрической проницаемости могут существенно повлиять на производительность печатной платы в высокоскоростных и высокочастотных конструкциях.

Коэффициент рассеяния

Коэффициент рассеяния (Dissipation Factor — Df) или тангенс угла потерь (Df Tan δ) — величина, показывающая количество энергии, которая теряется в материале в результате нагрева диэлектрика. Величина напрямую связана с диэлектрической проницаемостью и показывает отношение запасённой в диэлектрике энергии к рассеянной, а также — показатель величины потери сигнала в диэлектрическом материале. Тангенс угла потерь tgδ — величина безразмерная, но часто её указывают в процентах (tgδ_%=100×tgδ). Это диагностический параметр, который связывает характеристики диэлектрика с его влажностью, температурой, давлением. Для базовых материалов печатных плат коэффициент рассеяния или tgδ находится в диапазоне 0,002-0,05.

Объёмное сопротивления

Удельное объёмное сопротивление (ρ_v) — это величина, определяющая способность материала оказывать противодействие току, протекающему через толщу материала. Оно измеряется при прохождении тока через противоположные грани куба, сделанного из оцениваемого материала. Применительно к материалам печатных плат его определяют для одного кубического сантиметра и выражают в Ом·см. (В системе Си принята размерность Ω⋅m — ом-метр). На практике эта величина показывает качество изоляционных свойств материала: чем выше объёмное сопротивление, тем меньше будут утечки тока. Типовые значения объёмного сопротивления материалов печатных плат лежат в пределах от 10³ до 10¹⁵ МОм·см.

Поверхностное сопротивление

Удельное поверхностное сопротивление (ρ_s) — это величина, которая показывает способность материала оказывать сопротивление току, проходящему по поверхности материала. Показатель сильно отличается от объёмного сопротивления, так как учитывает не столько свойства самого материала, сколько состояние его поверхности. Измеряется при прохождении тока через противоположные грани квадрата на поверхности материала. Основной причиной появления поверхностной проводимости является влага и загрязнения, попадающие на материал, трещины и шероховатость материала. Типичные значения — от 10⁴ до 10¹³ Ом/кв (ом на квадрат). Также как и для объёмного — более высокое значение означает меньший ток утечки.

Электрическая прочность

Электрическая (или диэлектрическая) прочность — это максимальное напряжение, которое материал может выдержать при тех или иных условиях, не разрушаясь. Иными словами, величина показывает, при какой напряжённости электрического поля произойдёт пробой диэлектрика. Основных видов пробоя три: тепловой, электрический, электрохимический. Величина критична для проектирования печатных плат, работающих при высоком напряжении или в условиях высокого напряжения. Электрическая прочность нелинейна и зависит от толщины материала, Dk, температуры и условий теплоотвода, влажности, типа тока (постоянный переменный) и других факторов.

Типовое значение: от 10 до 100 кВ/мм (киловольт на миллиметр).

Горючесть и воспламеняемость

Нормативная документация по печатным платам, предлагающая испытания, ссылается на ГОСТ 23752.1-92 (Пункт 8.4 Испытание «Воспламеняемость») и ГОСТ 26246.0–89 — «Материалы электроизоляционные фольгированные для печатных плат. Методы испытаний». Стандарты 1992 и 1991 годов выхода.

Этот стандарт распространяется на листовые и гибкие фольгированные электроизоляционные материалы, предназначенные для изготовления печатных плат. Он устанавливает методы испытаний для этих материалов.

Группы горючести материалов.

Группы воспламеняемости материалов.

Для классификации материалов по дымообразующей способности используют значение коэффициента дымообразования, который определяется по ГОСТ 12.1.044.

Коэффициент дымообразования - показатель, характеризующий оптическую плотность дыма, образующегося при пламенном горении или термоокислительной деструкции (тлении) определенного количества твердого вещества (материала) в условиях специальных испытаний.

Группы дымообразования материалов.

Отдельных отечественных стандартов для слоистых материалов нет, и большая часть материалов маркируется в соответствии со спецификациями UL (Underwriters Laboratories, США).

Классы горючести по UL 94

Этот стандарт разделяет материалы на шесть классов, учитывающих их способность противостоять огню.

Класс 5VA: Поверхностное горение

Класс 5VA — это один из самых высоких рейтингов по UL 94. Данным классом обладают материалы, которые:

• Останавливают горение в течение не более 60 секунд после пятикратного воздействия пламенем.
• Не выделяют негорящих расплавленных капель вещества.
• Не подвергаются прожигу поверхности материала.

Класс 5VB: Поверхностное горение

Класс 5VB также является высоко оцененным классом по UL 94. Материалы, соответствующие этому классу:

• Останавливают горение в течение не более 60 секунд после пятикратного воздействия пламенем.
• Не выделяют негорящих расплавленных капель вещества.
• Подвергаются прожигу поверхности материала.

Класс V-0: Вертикальное горение

Класс V-0 является высоко оцененным классом по UL 94. Данным классом обладают материалы, которые:

• Останавливают горение в течение не более 10 секунд после воздействия пламенем.
• Выделяют негорящие расплавленные капли.

Класс V-1: Вертикальное горение

Класс V-1 является средне оцененным классом по UL 94. Материалы, соответствующие этому классу:

• Останавливают горение в течение не более 30 секунд после воздействия пламенем.
• Выделяют негорящие расплавленные капли.

Класс V-2: Вертикальное горение

Класс V-2 также является средне оцененным классом по UL 94. Материалы, соответствующие этому классу:

• Останавливают горение в течение не более 30 секунд после воздействия пламенем.
• Выделяют горящие расплавленные капли.

Класс H-B: Горизонтальное горение

Класс H-B является самым низко оцененным классом по UL 94. Данным классом обладают материалы, которые:

• Подвергаются медленному горению в горизонтальном положении со скоростью не более 76 мм/мин при толщине образца менее 3 мм.
• Имеют высокий риск воспламенения и распространения огня.

Класс V0 является наиболее огнестойким, а класс HB – наименее. Чем выше классификация, тем более устойчив материал к распространению пламени.

Влагопоглощение

Влагопоглощение — это процесс, при котором материал поглощает влагу из окружающей среды. Это может привести к значительным изменениям физических и электрических свойств материала, включая изменение размеров и ухудшение диэлектрических свойств.

Свойство влагопоглощения определяется типом материала и условиями окружающей среды. Различные материалы имеют разную способность поглощать влагу.

Влагопоглощение обычно выражается в процентах, показывая количество влаги, которое материал может поглотить относительно своего сухого веса. Материалы с более низкими показателями влагопоглощения как правило и более устойчивы к негативным последствиям воздействия влаги. Например, FR-4 имеет показатель влагопоглощения около 0,1% — 0,2%, что относительно мало по сравнению с другими материалами, такими как полиимид, показатель влагопоглощения которого составляет около 2,5% — 3,5%.

Влияние влагопоглощения на материал может быть различным:

• Изменение размеров и формы.
• Ухудшение диэлектрических свойств.
• Изменение механических свойств, таких как прочность и эластичность.

Учитывая эти факторы, важно выбирать материалы, которые имеют низкое влагопоглощение или специально предназначены для работы в условиях с высоким уровнем влажности. При этом необходимо принимать во внимание, что воздействие влаги на материал платы происходит не только во время эксплуатации, но и во время многократных влажных обработок во время изготовления и монтажа.

Устойчивость к дихлорметану

Дихлорэтан (Cl-CH₂-Cl) или метиленхлорид (Methylene chloride — DCM) — растворитель, который широко используется в производстве печатных плат.

Устойчивость к дихлорэтану характеризует способность материала противостоять воздействию этого растворителя без существенных изменений свойств или структуры.

Например, CEM-3 является более устойчивым материалом к метиленхлориду, чем FR-4. Это означает, что CEM-3 может безопасно взаимодействовать с метиленхлоридом без значительных изменений своих свойств или структуры.

Как и влагопоглощение, оно выражается процентным увеличением веса материала печатной платы из-за воздействия или замачивания в метиленхлориде в контролируемых условиях. Большинство материалов печатных плат имеют значения сопротивления дихлорметану в диапазоне от 0,01% до 0,20%.

Прочность на отрыв

Прочность на отрыв представляет собой характеристику, определяющую способность материала выдерживать механическую нагрузку без разрушения или деформации при разделении двух склеенных слоев.

Обычно используемыми единицами измерения прочности на отрыв являются Н/м (ньютон на метр) или фунт/дюйм. Для печатных плат FR4 типичная прочность на отрыв составляет примерно 1,5 Н/мм (Ньютона на миллиметр), что эквивалентно примерно 8,5 фунтам на дюйм.

Эта цифра является достаточно высоким значением для большинства применений печатных плат FR-4. Однако в некоторых случаях, где требуются повышенные механические свойства, может быть необходима более высокая прочность на отрыв. В таких ситуациях могут использоваться специальные материалы или технологии, которые обеспечивают повышенную прочность и надежность.

В целом, прочность на отрыв является важным фактором при проектировании и производстве печатных плат, поскольку она напрямую влияет на их долговечность и способность выдерживать механическую нагрузку.

Прочность на изгиб

Прочность на изгиб — это характеристика, определяющая способность материала выдерживать механическую нагрузку без разрушения или деформации при изгибе.

Эта величина представляет собой напряжение, которое необходимо для того, чтобы материал изогнулся или деформировался до излома (необратимой деформации). Обычно прочность на изгиб измеряется в МПа (мегапаскалях) или фунтах на квадратный дюйм (psi).

Для печатных плат FR4 типичная прочность на изгиб составляет примерно 340 Мпа (или 340 Н/мм²), что эквивалентно примерно 49 000 фунтам на квадратный дюйм. Это достаточно высокое значение, чтобы выдержать типичную сборку и использование печатных плат FR4.

Эта прочность позволяет печатным платам FR4 выдерживать различные механические нагрузки, включая изгиб, сжатие и растяжение. В результате они могут быть надежно использованы в широком спектре приложений, начиная от бытовой электроники и заканчивая сложными системами управления.

Модуль Юнга

Модуль Юнга определяет жесткость материала, или его способность сопротивляться деформации под действием внешней нагрузки.

Эта величина измеряется в гигапаскалях (ГПа) или фунтах на квадратный дюйм и дает представление о том, как материал поведёт себя при сжатии или растяжении. Для печатных плат из FR-4 типичное значение модуля Юнга составляет примерно 17-20 ГПа, что эквивалентно примерно 2,5-3,0 миллиона фунтов на квадратный дюйм.

Высокий модуль Юнга обеспечивает печатным платам хорошую поддержку и стабильность, что позволяет им выдерживать различные механические нагрузки без значительных деформаций или разрушений. Это особенно важно в приложениях, где печатные платы подвергаются высоким механическим напряжениям, например в электронных сборках, работающих под давлением или в системах управления движением.

Плотность

Плотность — это характеристика, определяющей массу материала на единицу его объема.

Эта величина измеряется в граммах на кубический сантиметр (г/см³) или фунтах на кубический дюйм (фунтов/дюйм³) и дает представление о том, как материал будет вести себя в различных условиях. Для печатных плат из FR-4 плотность составляет примерно от 1,80 до 1,90 г/см³, что эквивалентно примерно 0,065-0,069 фунтов на кубический дюйм.

Эта плотность подходит для большинства применений печатных плат и позволяет им обеспечивать необходимую поддержку и стабильность в различных приложениях. Плотная структура материала также делает его более устойчивым к механическим нагрузкам, таким как сжатие или растяжение.

Хорошая плотность материала обеспечивает печатным платам несколько преимуществ:

• Повышенная устойчивость к механическим нагрузкам.
• Лучшая поддержка и стабильность в различных приложениях.
• Возможность использовать более тонкие слои, что позволяет экономить материал и повышать производительность.

В целом, плотность является важным фактором при выборе материала для печатных плат и должна учитываться при проектировании и производстве электронного оборудования.

Время до расслаивания

Время до расслаивания является важной характеристикой, определяющей стабильность и долговечность печатных плат.

Оно представляет собой период времени, в течение которого печатная плата может выдерживать механическое или термическое напряжение без потери прочности связи между слоями.

Для печатных плат из FR-4 время до расслаивания обычно составляет более 200 часов при температуре 260℃, что является хорошей производительностью для большинства приложений. Это означает, что плата может выдерживать термическое воздействие и механические нагрузки без потери стабильности и прочности связи.

Низкое время до расслаивания может привести к следующим проблемам:

• Расслоению печатной плиты под воздействием механических и/или термических нагрузок.
• Нарушению функциональности печатной платы.
• Уменьшению ее долговечности.
• Возможности отказа печатной платы в критический момент.

Важно выбирать материалы с высоким временем до расслаивания, чтобы обеспечить стабильность и долговечность печатных плат.

FR-4. Наиболее распространённый в производстве печатных плат материал. FR-4 состоит из тканого стекловолокна, связанного с эпоксидной смолой. Он обеспечивает хорошую механическую прочность и технологичность. Диэлектрическая постоянная — около 4,5.

Высокотемпературный FR-4 (Mid TG и HiTg или High-Tg FR-4). Этот вариант FR-4 разработан для работы при более высоких температурах и имеет улучшенные термические и механические свойства по сравнению со стандартным FR-4.

CEM-1. Это эпоксидный композит, армированный целлюлозной бумагой, определенный в соответствии с классом NEMA CEM-1. Он имеет схожие электрические свойства с FR-4, но превосходные тепловые характеристики. Диэлектрическая проницаемость — 4,7.

CEM-3. Этот материал представляет собой армированную стекловолокном эпоксидную смолу, которая обеспечивает улучшенную механическую прочность по сравнению с бумажными композитами CEM-1, сохраняя при этом хорошую теплопроводность. Диэлектрический показатель — такой же, 4,7.

PTFE (тефлон). Материал известен своими превосходными электрическими характеристиками на высоких частотах и имеет очень низкую диэлектрическую проницаемость 2,1. Он обладает исключительной термической стабильностью, но относительно низкой механической прочностью.

Полиимид. Этот материал используется для работы при очень высоких температурах и сохраняет свои свойства при температуре более 300 °C. Диэлектрическая проницаемость 3,4 ниже, чем у FR-4, с хорошей целостностью сигнала.

Металл. Печатные платы с металлическим сердечником (Metal-Сore PCBs — MCPCBs) из алюминия или меди используются в узлах, которые требуют высокой теплопроводности. Ламинаты состоят из металлического сердечника с диэлектрическим слоем и медным слоем сверху. Dk — 4,0—4,5.

Керамика. Керамические ламинаты с сердечником из оксида или нитрида алюминия обеспечивают высокую теплопроводность, отличные электрические и механические свойства. Диэлектрическая постоянная — 8,5—9,0.

Также существуют и другие высокопроизводительные материалы подложки, такие как полифениленовый эфир (PPE), жидкокристаллический полимер (LCP) и кварцевое стекло. Они используются для специализированных применений.

FR-4 (Flame Retardant 4) — это наиболее широко используемый материал для печатных плат в электронной промышленности. Этот композитный материал из тканого стекловолокна, пропитанного эпоксидной смолой, обеспечивает баланс между механической прочностью, электроизоляцией и термической стабильностью.

Характеристики FR-4

FR-4 характеризуется следующими свойствами:

• Экономичность: FR-4 относительно недорог и легкодоступен по сравнению с другими материалами для печатных плат.
• Электрические свойства: Типичная диэлектрическая проницаемость (Dk) составляет 4,2–4,8, а коэффициент рассеяния (Df) — около 0,015–0,025 при 1 ГГц. Материал может не обеспечивать необходимых электрохарактеристик для высокоскоростных или высокочастотных плат.
• Тепловые свойства: FR-4 демонстрирует хорошие тепловые свойства с температурой стеклования (Tg), в диапазоне от 130 °C до 180 °C для различных модификаций материала (Tg135, Tg150, Tg170). Некоторые виды FR-4 могут не подойти для высокотемпературных производственных процессов. Например, материал Tg135 плохо подходит для бессвинцовой пайки.
• Теплопроводность: FR-4 имеет относительно низкую теплопроводность, обычно около 0,3 Вт/м·К. Это необходимо учитывать при проектировании HDI плат или плат с заведомо высокой тепловой нагрузкой.

Преимущества и ограничения FR-4

FR-4 является универсальным и экономически эффективным материалом для печатных плат, подходящим для различных применений. Однако разработчикам следует тщательно учитывать особые требования своих проектов и оценивать, соответствуют ли свойства FR-4 этим потребностям.

Применения FR-4

FR-4 универсален и подходит для большинства бытовых и промышленных электронных устройств. В зависимости от требований проекта может понадобиться использование более подходящих материалов, например в случае СВЧ плат или плат с повышенными требованиями к теплоотводу. В таких ситуациях лучше выбрать термостойкие материалы или материалы на металлической основе.

Основные усреднённые характеристики FR-4

Стандарт горючести — UL94 V-0.

Относится к классу CEM (Composite Epoxy Materials) по спецификации NEMA. Это один из наиболее дешёвых базовых материалов для печатных плат.  Основное применение — однослойные, односторонние/двухсторонние печатные платы без сквозных металлизированных отверстий, платы с низкой плотностью монтажа, платы с навесным монтажом.

Основная причина использования — это простота производства как самого материала, так и плат из него, а также низкая цена.

Базовые материалы класса CEM-1 состоят из целлюлозного сердечника, слоя нетканого стекловолокна и пропитки на основе фенольной или эпоксидной смолы, а также различных добавок, зависящих от производителя. Иногда в составе может быть только бумага и эпоксидная смола.

CEM-1 плохо подходит для современных печатных плат и производственных процессов. У материала низкая термостойкость, не превышающая 105 °С, низкая геометрическая точность и стабильность толщины, а также высокое влагопоглощение. Электрические характеристики также не самые выдающиеся. А невозможность металлизации отверстий отрезает часть возможного функционала печатных схем.

Из-за этих технических недостатков CEM-1 используется только для простых печатных плат с низкой плотностью монтажа и низкими требованиями по допускам. В основном, материал используется для самых дешёвых продуктов, в которых качество приносится в жертву стоимости или для таких, где качество материала не играет никакой роли.

Из плюсов:

• Цена, особенно для массовой сборки.
• Вес. Из CEM-1 получаются самые лёгкие однослойные платы.
• Хорошо подходит для светодиодных сборок из-за неплохой теплопроводности.
• Прочность. Хорошо подходит для тяжёлых компонентов, часто используется, например, в блоках питания.

Применяется CEM-1 в простых устройствах: игрушках, простой бытовой технике, электрических светодиодных лампах, силовых устройствах.

Основные усреднённые характеристики CEM-1

Стандарт горючести — UL94 V-0.

CEM-3 также материал на основе бумаги, стекловолокна и эпоксидной смолы. Слоёв стеклоткани обычно несколько, поверхность материала более гладкая. По своим свойствам CEM3 больше похож на FR-4.

Это огнестойкий материал, лёгкий и прочный. Подходит для одно и двухслойных печатных плат и широко используется в электронной промышленности. Имеет некоторые ограничения по применению в сложных печатных узлах.

CEM-3 обладает более высокой, чем у CEM-1, геометрической точностью и стабильностью и механической прочностью, низкой диэлектрической постоянной и более высокой Tg.

Материал преимущественно используется для:

• Печатных плат низкого и среднего класса (бытовая техника, нетребовательное телекоммуникационное оборудование и т.д.).
• Светодиодного освещения низкой мощности. Показатели теплопроводности CEM-3 невысоки и поэтому материал подходит для светодиодных сборок с низким энергопотреблением и тепловыделением. При использовании с мощными устройствами и модулями возможно сокращение срока службы.
• Промышленного применения — недорогие системы, работающие в нормальных условиях, простые системы управления, распределительные устройства. Недостаточно высокая прочность и влагостойкость не позволяют использовать CEM-3 в критических системах.

Основные усреднённые характеристики CEM-3

Стандарт горючести — UL94 V-0.

Политетрафторэтилен (-C₂F₄-) (Polytetrafluoroethylene — PTFE) или фторопласт-4, известный также под торговой маркой «тефлон» (торговая марка Teflon корпорации Dupont) используется в изготовлении печатных из-за своих исключительных диэлектрических свойств. Тефлоновые печатные платы хорошо проявляют себя в сложных электронных блоках и высокочастотной электронике. Изначально тефлоновые платы применялись в военной технике, позже стали передовым решением в системах связи.

Свойства тефлоновых печатных плат

• Термостойкость. Тефлон устойчив к высоким и низким температурам. Он сохраняет свои свойства до -196 °С.
• Устойчивость к химикатам.
• Устойчивость к различным условиям эксплуатации, включая повышенную влажность и давление.
• Низкий фактор рассеяния. Низкий Df даёт платам из PTFE хорошие изоляционные свойства.
• Минимальное влагопоглощение.
• Хорошие электрические характеристики: низкие диэлектрические потери и постоянная диэлектрическая проницаемость в широком диапазоне частот, высокое удельное объёмное сопротивление и напряжение пробоя.

Основные характеристики PTFE плат на примере ламинатов Rogers

Tg фторопластовых плат достигает 280 °С.

Стандарт горючести — UL94 V-0.

Преимущества

• Отличные характеристики на высоких частотах. ПТФЭ платы хорошо подходят для ВЧ/СВЧ схем, радиочастотного оборудования и систем связи.
• Устойчивость к высоки температурам. Это важное качество как в разрезе условий эксплуатации, так и при использовании в устройствах, которые обладают высоким тепловыделением.
• Химическая устойчивость.
• Гидрофобность.

Недостатки

• Стоимость. Тефлон — один из самых дорогих материалов для печатных плат. Для применения тефлона в качестве базового материала желательно иметь веские основания.
• Проблемы в обработке. Высокая вязкость расплава и очень плохая адгезия к поверхности.
• Механическая прочность. Механические качества тефлона довольно низкие. Материал хрупкий.

Применение ПТФЭ плат

Основное применение — ВЧ платы. Это:

• Высокочастотные антенны, для реализации как принимающих, так и передающих функций.
• Системы связи.
• Датчики и компоненты активной безопасности.
• Усилители мощности, сотовые устройства, устройства Wi-Fi.
• Радиосвязь, телекоммуникационное оборудование и информационные системы.

Полиимид — это высококачественный полимерный материал, который получил широкое признание в различных отраслях промышленности из-за его свойств. Применяется в качестве подложки для гибких печатных плат. Полиимидная плёнка может использоваться как в чистом (2-е поколение материала) виде, так и с различными добавками. Например, для повышения огнестойкости (3-е поколение), для повышения вязкости (Low Flow Polyimide), химической стойкости, прочности (Filled Polyimide).

Характеристики полиимидной печатной платы

Полиимидные плёнки для печатных плат демонстрируют следующие характеристики:

• Температура стеклования (Tg). Полиимидная плёнка имеет температуру стеклования (Tg) примерно 280°C–350°C, что позволяет ей сохранять свои механические и электрические свойства при повышенных температурах.
• Коэффициент теплового расширения. Полиимид демонстрирует низкий коэффициент теплового расширения (CTE), который помогает снизить риск расслоения и деформации во время термоциклирования.

Электрические характеристики

• Диэлектрическая проницаемость (Dk): Диэлектрическая проницаемость полиимидной печатной платы составляет примерно 3,2–3,6.
• Коэффициент рассеяния (Df): Коэффициент рассеяния полиимидной плёнки составляет примерно 0,002–0,003 при 1 ГГц.

Преимущества и ограничения

Полиимидные плёнки имеют следующие преимущества:

• Высокая термическая стабильность: Полиимидные печатные платы могут сохранять свои механические и электрические свойства при повышенных температурах.
• Низкий коэффициент теплового расширения: Полиимид демонстрирует низкий коэффициент теплового расширения, что помогает снизить риск расслоения и деформации во время термоциклирования.

Однако полиимидные печатные платы имеют также следующие ограничения:

• Высокая стоимость. Полиимидные печатные платы дороже, чем FR-4 из-за более высокой стоимости материала и более сложных производственных процессов.
• Сложность в обработке. Полиимид может быть более сложным в обработке, требуя специального оборудования для сверления, травления и ламинирования.
• Ограничения адгезивов. Высокая термостойкость самого полиимида нивелируется более низкими показателями адгезивов, которые используются при склеивании ламинатов в однослойных и многослойных платах. Исключение составляют полиимидные адгезивы, но их использование требует высоких температур и длительного процесса прессования.
• Высокое влагопоглощение.

Применение

Области применения полиимидных базовых материалов обусловлены его высокой термической стабильностью, механической и химической прочностью. Полиимид широко используется в высокотемпературных устройствах:

• Аэрокосмическая электроника;
• Автомобильная электроника;
• Промышленная электроника для сложных условий;
• Высокочастотные узлы и приборы.
• В медицинских приборах — диагностическое и рентгеновское оборудование.
• Бытовая электроника — смартфоны, планшеты, ноутбуки.
• Компьютеры — процессоры, видеокарты, блоки питания.

Основные характеристики полиимидных плёнок на примере ламинатов Dupont и Isola

Печатные платы с металлическим сердечником представляют собой усовершенствованный вариант традиционных материалов подложки FR-4 и других материалов. Эти материалы разработаны для обеспечения более эффективного рассеивания тепла, что делает их идеальными для приложений, требующих высокой плотности мощности или чрезвычайно высоких температур.

Характеристики металлических сердечников

Металлические сердечники используются в печатных платах для повышения тепловых характеристик, наиболее распространенными материалами являются алюминий, медь и другие металлы.

• Алюминиевый сердечник: Печатные платы с алюминиевым сердечником состоят из слоя алюминия, закрытого диэлектрическим материалом и медными слоями снаружи. Алюминиевый сердечник обеспечивает теплопроводность около 200 Вт/м·К.
• Медный сердечник: Печатные платы с медным сердечником демонстрируют еще более высокую теплопроводность, чем алюминиевые сердечники, теплопроводность меди примерно в два раза выше алюминия, она составляет около 400 Вт/м·К.

Реальная теплопроводность платы, конечно, существенно ниже, чем у чистого металла, и зависит от материала и толщины диэлектрика.

Преимущества и ограничения

Печатные платы с металлическим сердечником имеют следующие преимущества:

• Улучшенные тепловые характеристики: Металлические сердечники обеспечивают эффективное рассеивание тепла, снижая риск выхода компонента из строя из-за перегрева. Платы на медном основании применяются для экстремально теплонагруженных проектов.
• Легкость и механическая прочность: Алюминиевые сердечники легки и механически прочны, что делает их привлекательными для многих приложений.

Однако печатные платы с металлическим сердечником также имеют следующие ограничения:

• Высокая стоимость: Печатные платы с медным сердечником обычно дороже и тяжелее, чем алюминиевые сердечники, что делает их менее подходящими для приложений, чувствительных к стоимости или весу.
• Сложность в обработке: Металлические сердечники могут быть более сложными в обработке, требуя специального оборудования и технологий.

Основные характеристики металлических плат на примере алюминия

Печатные платы с керамическими подложками представляют собой уникальную возможность для различных отраслей, требующих использования высоких температур. Керамические материалы, такие как оксид алюминия (Al₂O₃), нитрид алюминия (AlN) и нитрид кремния (SiN), демонстрируют превосходные свойства теплопроводности, термостойкости и низкого коэффициента теплового расширения.

Характеристики керамических подложек

Керамические подложки характеризуются следующими свойствами:

• Теплопроводность. Керамические материалы демонстрируют высокую теплопроводность, обычно в диапазоне от 24 (для оксида алюминия) до 170 Вт/м·К (для нитрида алюминия), что позволяет им эффективно рассеивать тепло и снижать риск выхода компонента из строя.
• Теплостойкость. Керамические подложки демонстрируют высокую теплостойкость, обычно в диапазоне от 180 до 280 °C, что делает их подходящими для различных отраслей с высокими температурами.
• Низкий коэффициент теплового расширения: Керамические подложки демонстрируют низкий коэффициент теплового расширения, который снижает риск расслоения и деформации во время термоциклирования. Самый низкий КТР показывают платы из SiN.
• Низкая диэлектрическая постоянная. Для оксида алюминия — 7,8-11, а для нитрида — 8,5-9,0.

Преимущества и ограничения

Печатные платы с керамическими подложками имеют следующие преимущества:

• Эффективное рассеивание тепла: Керамические материалы демонстрируют высокую теплопроводность, которая позволяет им эффективно рассеивать тепло и снижать риск выхода компонента из строя.
• Высокая термостойкость: Керамические подложки демонстрируют высокую теплостойкость, что делает их подходящими для различных отраслей с чрезвычайно высокими температурами.

Однако керамические подложки также имеют следующие ограничения:

• Высокая стоимость: Керамические материалы более дороги и сложны в производстве, чем другие материалы для печатных плат.
• Хрупкость: Керамические подложки могут быть хрупкими при механическом давлении или термоциклировании.
• Сложность в обработке. Для обработки керамики требуется специальное оборудование и отдельные технологические процессы.

Применение:

• Мощные светодиодные сборки;
• Силовая электроника;
• Военная электроника;
• ВЧ применения.

Основные характеристики керамических плат

Полиэстер (полиэтиленгликольтерефталат, ПЭТФ, ПЭТ, ПЭТГ, лавсан, майлар) представляет собой гибкий материал, используемый в гибких печатных платах, который предлагает более экономичную альтернативу полиимиду. Характеристики ПЭТ делают его привлекательным вариантом для приложений с менее жесткими требованиями к температуре.

Характеристики ПЭТ

ПЭТ характеризуется следующими свойствами:

• Температура стеклования (Tg). ПЭТ имеет температуру стеклования примерно 80°C, что делает его подходящим только для приложений с низкими требованиями к температуре.
• Диэлектрическая проницаемость (Dk). Диэлектрическая проницаемость ПЭТ обычно составляет около 3,0–3,2.
• Коэффициент рассеяния (Df). Коэффициент рассеяния ПЭТ составляет примерно 0,01–0,02 при 1 ГГц.

Преимущества и ограничения

ПЭТ имеет следующие преимущества:

• Цена. ПЭТ является более экономичной альтернативой полиимида.
• Легкость в обработке. ПЭТ легок в обработке, легко сверлится, травится или ламинируется.

Однако ПЭТ также имеет следующие ограничения:

• Низкая термическая стабильность. ПЭТ не такой термически устойчивый, как полиимид. ПЭТ не может подвергаться прямой пайке и сборке.
• Низкая химическая устойчивость. ПЭТ менее химически устойчив, чем полиимид.

Основные характеристики керамических плат PET на примере CPET

Применение

• Гибкие печатные платы. ПЭТ обычно используется в качестве материала подложки в гибких печатных платах из-за его высокой гибкости, размерной стабильности и высоких электроизоляционных свойств.

Жидкокристаллический полимер (Liquid Crystal Polymer — LCP) разработан для преодоления ограничений полиимида. Влагопоглощение существенно ниже, а обработка — проще.

LCP представляет собой гибкий материал, получивший признание из-за его исключительных электрических характеристик, которые делают его хорошо подходящим для высокочастотных и высокоскоростных печатных схем.

Характеристики

LCP демонстрирует следующие характеристики:

• Низкая диэлектрическая постоянная (Dk). Низкая диэлектрическая проницаемость, примерно 2,9.
• Низкий коэффициент рассеяния (Df). Коэффициент рассеяния составляет примерно 0,002 при 1 ГГц.
• Высокая температура стеклования (Tg). Обычно составляет около 280 °C.
• Низкий коэффициент теплового расширения (КТР). КТР LCP обеспечивает превосходную размерную стабильность во время нагрева и охлаждения.

Преимущества и ограничения

Жидкокристаллический полимер имеет следующие преимущества:

• LCP демонстрирует превосходные электрические свойства, что делает его пригодным для высокочастотных и высокоскоростных приложений.
• LCP сохраняет свои свойства в условиях максимального влагопоглощения.
• Низкий КТР LCP обеспечивает надёжность при эксплуатации в условиях нагрева и охлаждения.

Однако жидкокристаллический полимер также имеет следующие ограничения:

• Высокая стоимость. Жидкокристаллический полимер является дорогим материалом.
• Сложная обработка. Производство LCP может потребовать специального оборудования и изменения типовых технологических процессов.

Основные характеристики LCP на примере материала Panasonic FeliosLCP

Применение

• Авионика и аэрокосмические приборы,
• Смартфоны (антенный модуль),
• Ноутбуки и планшетные ПК,
• Дисплеи 4K/8K (высокоскоростной кабель FPC),
• Автомобильные компоненты (радар миллиметрового диапазона) и т. д.

При проектировании печатных плат важно учитывать конкретные требования к применению, поскольку различные материалы имеют разные свойства, влияющие на производительность и надежность плат.

Электрические характеристики

• Диэлектрическая проницаемость (Dk). Диэлектрическую проницаемость материала следует учитывать при проектировании высокочастотных схем, поскольку она влияет на целостность сигнала и импеданс печатной платы.
• Коэффициент рассеяния (Df). Коэффициент рассеяния также важен для высокоскоростных конструкций, поскольку он может повлиять на целостность сигнала.

Тепловые характеристики

• Теплопроводность. Теплопроводность материала печатной платы имеет решающее значение при проектировании схем с высокой плотностью и большой мощности. Высокая теплопроводность позволяет эффективно рассеивать тепло и предотвращать перегрев компонентов.
• Температура стеклования (Tg). Tg также важна, поскольку она определяет температуру, при которой материал начинает терять свои механические свойства. Температура стеклования влияет на выбор технологических процессов, припоя, покрытий и т.д.

Механические свойства

• Жесткость. Жесткость материала печатной платы имеет решающее значение для проектирования схем, подверженных вибрациям или ударным нагрузкам.
• Гибкость. Гибкость также важна, поскольку она позволяет материалу компенсировать механические напряжения и удлинение при изменении температуры.

Условия окружающей среды

• Поглощение влаги. Скорость поглощения влаги, количество и последующие изменения материала имеют решающее значение для проектирования схем, работающих в условиях повышенной влажности.
• Устойчивость к факторам окружающей среды. Устойчивость к колебаниям температуры, влажности и воздействию химикатов также важна для обеспечения долгосрочной надежности печатной платы.

При проектировании печатных плат важно учитывать стоимость различных материалов, поскольку это может повлиять на общий бюджет и осуществимость проекта в целом.

Факторы, влияющие на стоимость

• Тип материала. Стоимость материалов печатной платы может различаться в зависимости от типа материала. Например, FR-4 — относительно недорогой и доступный материал, тогда как полиимидные или керамические подложки могут быть более дорогими из-за их специализированных свойств.
• Свойства материала. Особые свойства материала, такие как его диэлектрическая проницаемость, теплопроводность и температура стеклования, также могут влиять на стоимость. Материалы с более специализированными свойствами могут быть дороже.
• Сложность производства. Сложность производственного процесса может влиять на стоимость материала. Некоторые материалы, такие как FR-4, совместимы с большинством стандартных процессов производства печатных плат, что делает их относительно недорогими. Другие материалы, такие как полиимидные или керамические подложки, могут потребовать специализированных производственных технологий и оборудования.

При выборе материала для печатной платы требуется:

• Сбалансировать стоимость с производительностью. Проектировщики должны сбалансировать стоимость материала с его производительностью. Необходимо выбрать материал, который соответствует потребностям приложения без перерасхода средств.
• Оценка стоимости и преимуществ различных материалов. Оценивая стоимость и преимущества различных материалов, проектировщики могут достичь оптимальной производительности печатной платы при минимальных затратах.

Материалы печатных плат можно разделить на четыре категории на основе свойств потери сигнала.

1. Нормальная скорость и потери. Материалы с нормальной скоростью являются наиболее распространенными материалами для плат – семейство FR-4. Их диэлектрическая проницаемость (Dk) в зависимости от частотной характеристики не очень линейная, и они имеют более высокие диэлектрические потери. Поэтому их пригодность ограничена цифровыми/аналоговыми приложениями в диапазоне нескольких ГГц. Примером этого материала является Isola 370HR.
2. Средняя скорость, средние потери. Материалы со средней скоростью имеют более плоскую кривую Dk в зависимости от частотной характеристики и имеют диэлектрические потери примерно в два раза меньше, чем у материалов с нормальной скоростью. Они подходят для частот до ~10 ГГц. Примером этого материала является Nelco N7000-2 HT.
3. Высокая скорость, низкие потери: Эти материалы также имеют более плоские кривые Dk в зависимости от частотной характеристики и низкие диэлектрические потери. Они также генерируют меньше нежелательных электрических шумов по сравнению с другими. Они подходят для приложений в диапазоне ~60 ГГц. Примером такого материала является Isola I-Speed.
4. Очень высокая скорость, очень низкие потери (РЧ/СВЧ): Материалы для РЧ/СВЧ-приложений имеют самую плоскую зависимость Dk от частоты и наименьшие диэлектрические потери. Они подходят для приложений до ~100 ГГц и выше. Примером такого материала для печатных плат является Isola Tachyon 100G.