مواد مورد استفاده در بردهای مدار چاپی (PCB): راهنمای جامع برای تولیدکنندگان.

تصاویری که توسط مشتری به وجود آمده است

تخته های مدار چاپی (PCB) ستون فقرات نامرئی هر دستگاه الکترونیکی هستند، از تلفن های هوشمند تا فضاپیما، اما عملکرد آنها به طور کامل به مواد مورد استفاده برای ساخت آنها بستگی دارد.یک مودم 5G گوشی هوشمند برای جلوگیری از قطع سیگنال به مواد زیربنایی با ضرر کم تکیه می کند، در حالی که یک سیستم مدیریت باتری EV (BMS) نیاز به ورق مس مقاوم در برابر گرما برای مدیریت جریان های بالا دارد. انتخاب مواد نادرست می تواند منجر به خرابی زودرس، بازسازی گران قیمت،یا حتی خطرات ایمنی (e(به عنوان مثال، گرم شدن بیش از حد در دستگاه های پزشکی).

این راهنما مواد حیاتی را که PCB را تشکیل می دهند، خواص منحصر به فرد آنها و نحوه انتخاب مناسب برای کاربرد خود را تجزیه می کند.ما همه چیز را از زیربنای پایه و ورق های مس رسانا تا ماسک های محافظت کننده جوش و پایان سطح قابل اطمینان را پوشش می دهیم، با مقایسه های مبتنی بر داده ها و موارد استفاده در دنیای واقعی متناسب با استانداردهای تولید آمریکایی.درک این مواد کلید ساخت PCB است که انجام، آخرین، و اهداف هزینه را برآورده کنید.

نکات کلیدی
a. مواد زیربنایی (به عنوان مثال FR4، Rogers، polyimide) عملکرد حرارتی، الکتریکی و مکانیکی PCB را تعیین می کننددر حالی که راجرز در طرح های 5G/mmWave برجسته است.
b. ضخامت ورق مس (۱ اونس ۰۵ اونس) و نوع (الکترولیتیک در مقابل رول) ظرفیت حمل جریان: 2 اونس مس جریان 30A + را اداره می کند (برای EV ها حیاتی است) ،در حالی که مس رول شده انعطاف پذیری را برای پوشیدنی ها ارائه می دهد.
c. ماسک های جوش (به طور عمده LPI سبز) از ردپای از خوردگی و پل های جوش محافظت می کنند، با گزینه های دمای بالا (Tg ≥150 °C) که برای PCB های خودرو و صنعتی مورد نیاز است.
d.پاکسازی سطح (ENIG، HASL، ENEPIG) قابلیت جوش و طول عمر را تعیین می کند: ENEPIG استاندارد طلا برای پزشکی / هوافضا است، در حالی که HASL برای دستگاه های کم قابلیت اطمینان مقرون به صرفه باقی می ماند.
e.اشتباهات انتخاب مواد باعث ۳۵٪ از شکست های PCB می شود (داده های IPC) ◄ تطبیق مواد با نیازهای برنامه (به عنوان مثال دمای، فرکانس، جریان) نرخ شکست میدان را ۵۰٪ کاهش می دهد.

1مواد زیربنای PCB: پایه عملکرد
بستر پایه غیر رسانا است که حاوی آثار مس ، اجزای و سایر لایه های PCB است. این بیشترین انتخاب مواد تاثیرگذار است ، زیرا تعریف می کند:
a. رسانایی حرارتی: چگونه PCB به خوبی گرما را از بین می برد (برای اجزای قدرتمند مانند IGBT ها حیاتی است).
ب. ثابت دی الکتریک (Dk): چقدر سیگنال های الکتریکی را عایق می کند (Dk پایین = عملکرد بهتر فرکانس بالا).
c.مقاومت مکانیکی: مقاومت در برابر انحراف، خم شدن یا ترک (کلید برای محیط های خشن).

در زیر متداول ترین مواد زیربنایی با مقایسه مفصل برای انتخاب راهنما ارائه شده است:

چرا انتخاب بستر مهم است؟
a.الکترونیک مصرفی: FR4 در این زمینه مهم است. هزینه پایین و عملکرد حرارتی مناسب (0.3 W/m·K) آن، نیاز به انرژی 1 ¢5W تلفن های هوشمند و تبلت را برآورده می کند.قیمت یک PCB 6 لایه FR4 در آیفون 15 ~(2.50، در مقابل) 12.50 برای معادل راجرز.
b.5G / مخابرات: Dk کم Rogers RO4350 (3.48) از دست دادن سیگنال را در 28GHz به حداقل می رساند و برای ایستگاه های پایه 5G ضروری است. بدون آن، سیگنال های 5G 40٪ بیش از 10 سانتی متر کاهش می یابد.
ج. فضاپیما: زیرپوش های پلی آمید در برابر نوسانات دمای -55 درجه سانتیگراد تا 200 درجه سانتیگراد مقاومت می کنند و در برابر تشعشعات مقاومت می کنند، که آنها را برای PCB های ماهواره ای ایده آل می کند.تلسکوپ فضایی جیمز وب ناسا از PCB های مبتنی بر پلی آمید برای ابزارهای کریوجنیک خود استفاده می کند.
d.EVs: زیربناهای هسته آلومینیومی (MCPCB) در اینورترهای EV گرمای 3 برابر سریعتر از FR4 را از بین می برند، در حالی که دمای اتصال IGBT کمتر از 125 °C (سطح خنک کننده حرارتی) است.

2ورق مس: ستون فقرات رسانا
ورق مس ماده ای هدایت کننده است که رد، هواپیما و پد هایی را تشکیل می دهد که سیگنال های الکتریکی و قدرت را در سراسر PCB حمل می کنند. ضخامت، نوع و خلوص آن به طور مستقیم بر ظرفیت فعلی تاثیر می گذارد.انعطاف پذیری، و هزینه.

مشخصات کلیدی ورق مس
a. ضخامت: در اونس (اونس) اندازه گیری می شود (1 اونس = ضخامت 35μm). گزینه های رایج:
1 اونس: ایده آل برای سیگنال های کم جریان (≤10A) در الکترونیک مصرفی.
2 اونس: کنترل 10-30A در حال حاضر (EV BMS، موتور های صنعتی درایو).
3-5 اونس: برای کاربردهای با قدرت بالا (50A +) ، مانند اینورترهای EV یا تجهیزات جوش.
ب.نوع: دو نوع اصلی که هر کدام برای نیازهای خاص مناسب هستند:

ملاحظات مهم برای ورق مس
a. ظرفیت جریان: یک ردیاب مس 1 میلی متر پهناور 2 اونسی در 25 درجه سانتیگراد (استانداردی IPC-2221) ~ 30A را حمل می کند. برای جریان های بالاتر، از ردیاب های گسترده تر (به عنوان مثال، 2 میلی متر پهناور، 2 اونس = 50A) یا فولیک ضخیم تر (۳ اونس = 45A برای عرض 1 میلی متر) استفاده کنید.
b.سطح خشن: مس رولد دارای سطح صاف تر (Ra <0.5μm) نسبت به الکترولیتی (Ra 1 ¢ 2μm) است ، که از دست دادن سیگنال را در فرکانس های بالا (28GHz +) کاهش می دهد. این باعث می شود که برای PCB های 5G mmWave ایده آل باشد.
c. انعطاف پذیری: مس رولد با مقاومت بیش از 10،000 چرخه خم شدن (در مقابل 1000 برای الکترولیتی) ، برای تلفن های تاشو یا سنسورهای پوشیدنی بسیار مهم است.

مثال: BMS مدل Y تسلا از 2 اونس ورق مس الکترولیتیک برای هواپیماهای قدرت استفاده می کند تا هزینه و ظرفیت جریان (30A در هر ردیف) را متعادل کند و PCB را به اندازه کافی نازک نگه دارد تا در بسته باتری قرار گیرد.

3. ماسک سولدر: حفاظت از رد و رد و جلوگیری از شورت
a. ماسک جوش یک فیلم مایع یا خشک است که بر روی آثار مس (به استثنای پد ها) برای:
b. از مس در برابر اکسیداسیون و خوردگی محافظت می کند.
c. جلوگیری از پل های جوش تصادفی بین ردیاب های مجاور (معمولا در PCB های با تراکم بالا).
د.عوارض را از رطوبت، گرد و غبار و مواد شیمیایی جدا کنید.

انواع رایج ماسک های جوش
ماسک جوش مایع قابل تصویربرداری (LPI) در 95٪ از PCB های مدرن استفاده می شود که به صورت مایع اعمال می شود، در معرض نور UV (از طریق یک ماسک عکاسی) قرار می گیرد و برای پوشاندن پد ها توسعه یافته است.در حال حاضر به دلیل دقت پایین تر نادر هستند..

چرا رنگ ماسک های پلتینگ اهمیت دارد؟
a.سبز: استاندارد صنعت: مقرون به صرفه، آسان برای بازرسی (بر خلاف مس) و سازگار با اکثر فرآیندهای.
b.Black: محبوب در دستگاه های پیشرفته (به عنوان مثال، تلفن های هوشمند برتر) برای زیبایی شناسی، اما سخت تر برای بررسی (به نور UV برای بررسی نقص نیاز دارد).
c.White: در PCB های LED استفاده می شود که نور را منعکس می کند تا روشنایی LED را 15٪ افزایش دهد.

نکته کلیدی: LPI درجه حرارت بالا (Tg ≥150 °C) برای PCB های خودرو که در محیط های زیر هود (125 °C +) کار می کنند، اجباری است.که منجر به شارژ می شود..

4جوهر ابریشم: برچسب گذاری و شناسایی
جوهر صفحه ابریشم لایه نهایی است که بر روی PCB ها اعمال می شود. متن چاپی، لوگوها، مرجع اجزای (به عنوان مثال، R1، U2) و نشانه های قطبی.این برای مونتاژ (تعویض قطعات راهنما) و نگهداری (شناخت قطعات برای تعمیر) ضروری است.

انواع جوهر ابریشم
بیشتر جوهر ها مبتنی بر اپوکسی (مقاوم در برابر گرما و مواد شیمیایی) یا UV-curable (شک شدن سریع برای تولید حجم بالا) هستند. ملاحظات کلیدی:

بهترین روش ها برای ابریشم
a. اندازه فونت: حداقل 0.8mm استفاده کنید متن کوچک تر خواندن آن دشوار است و ممکن است در طول مونتاژ لکه دار شود.
b.Clearance: نگه داشتن جوهر 0.1mm دور از پد ٪ جوهر در پد جلوگیری از جوش (یک علت اصلی نقص مونتاژ).
c. دوام: جوهر های اپوکسی برای PCB های صنعتی که ممکن است تحت تمیز کردن یا دستکاری مکرر قرار گیرند، ترجیح داده می شوند.

مثال: یک کارخانه تعمیر محرک های موتور صنعتی برای شناسایی یک مقاومت معیوب (R45) ، بر روی صفحه ابریشم اپوکسی تکیه می کند. بدون برچسب گذاری واضح، زمان تعمیر دو برابر می شود و هزینه 500 دلار در ساعت در زمان توقف است.

5. PCB سطح پایان: تضمین سولدرایی و طول عمر
پوشش های سطحی، پد های مس را به صورت زیر پوشش می دهند:
a. جلوگیری از اکسیداسیون (که قابلیت سولدر شدن را خراب می کند).
ب.بهبودی قابلیت اطمینان جفت جوش.
c.مدت نگهداری PCB را (از 6 ماه تا 2 سال) افزایش دهید.
این یکی از مهم ترین گزینه های مواد است، پایان دادن ضعیف باعث 25٪ از شکست های جوش (داده های IPC) می شود. در زیر مقایسه رایج ترین گزینه ها:

چرا انتخاب نهایی قابل مذاکره نیست
a.تجهیزات پزشکی: ENEPIG اجباری است. این ماده از استفاده از پد سیاه (یک ترکیب شکننده نیکل-طلای که باعث شکست مفاصل می شود) اجتناب می کند و به استریلیزه کردن در اتوکلاو (134 درجه سانتیگراد، فشار 2 بار) مقاومت می کند.
ب.هوافضا: عمر 18 ماهه ENIG تضمین می کند که PCB ها در طول ذخیره سازی طولانی قابل فروش باقی بمانند (به عنوان مثال، اجزای ماهواره ای که برای 2 سال قبل از پرتاب ذخیره می شوند).
c.الکترونیک مصرف کننده: HASL برای تلویزیون ها یا اسباب بازی ها مقرون به صرفه است ، جایی که PCB ها به سرعت جمع می شوند و هر 2-3 سال جایگزین می شوند.
d.EVs: ENEPIG در رادار ADAS PCBs استفاده می شود مقاومت آن در برابر خوردگی (1500 ساعت اسپری نمک) از خرابی از نمک جاده و رطوبت جلوگیری می کند.

6چارچوب انتخاب مواد: چگونه ترکیب مناسب را انتخاب کنیم
با وجود بسیاری از گزینه ها، انتخاب مواد PCB می تواند بسیار دشوار باشد. از این چارچوب چهار مرحله ای برای هماهنگی مواد با برنامه خود استفاده کنید:

مرحله ۱: تعیین الزامات عملکرد
a.برقی: حداکثر فرکانس (به عنوان مثال، 28GHz برای 5G) یا جریان (به عنوان مثال، 30A برای EV BMS) چیست؟ زیربناهای کم Dk (Rogers) و مس ضخیم (2oz +) برای عملکرد بالا مورد نیاز است.
b. حرارتی: حداکثر دمای عملیاتی (به عنوان مثال 150 ° C برای خودرو) چیست؟ زیربناهای Tg بالا (FR4 Tg 170 ° C) و MCPCB ها را برای تبعید گرما انتخاب کنید.
ج.مکانیکی: آیا PCB خم می شود (پوشیدنی) یا در برابر لرزش (هوائی) مقاومت می کند؟ زیرپوش های انعطاف پذیر پلی آمید و مس رول شده در اینجا بسیار مهم هستند.

گام دوم: هزینه و ارزش را در نظر بگیرید
الف.الکترونیک مصرفی: اولویت مواد کم هزینه (FR4، مس الکترولیتیک 1 اونس، HASL) برای برآورده کردن نقاط قیمت (به عنوان مثال، یک گوشی هوشمند 200 دلاری نمی تواند زیربنای راجرز را خریداری کند).
b.باوری بالا (طبی / هوافضا): در مواد برتر سرمایه گذاری کنید (ENEPIG، polyimide، Rogers)

مرحله سوم: بررسي سازگاری توليدي
مطمئن شوید که مواد با فرآیند مونتاژ شما کار می کنند:
PCB های انعطاف پذیر نیاز به مس رول شده و ماسک جوش پولی میید دارند
تولیدات حجم بالا (100k + PCB) از سیکسکرین UV-curable (سرعت سخت شدن) در مقابل اپوکسی (بست) بهره مند می شوند.

مرحله ۴: تایید انطباق
a.خودروی: مواد باید با IATF 16949 مطابقت داشته باشند (به عنوان مثال، ماسک جوش دهنده Tg بالا، ENEPIG).
ب.طبی: ISO 13485 مستلزم مواد سازگار با زیست شناسی (به عنوان مثال ENEPIG، polyimide) است.
c.بازارهای جهانی: مطابق با RoHS ممنوعیت سرب انتخاب HASL بدون سرب (Sn-Cu) یا ENIG.

7ترکیب مواد واقعی توسط صنایع
برای مشخص کردن انتخاب مواد، در اینجا ترکیب های اثبات شده برای کاربردهای رایج وجود دارد:

الکترونیک مصرفی (PCB اصلی تلفن هوشمند)
1.سربست: FR4 Tg بالا (Tg 170°C)
2ورق مس: 1 اونس الکترولیتی (سطح های سیگنال) ، 2 اونس الکترولیتی (طرح های قدرت)
3. ماسک جوش: سبز استاندارد LPI (Tg 130°C)
4.سکریپ ابریشم: اپوکسی ضد اشعه UV (0.8mm text)
5سطح: ENIG (توازن قابلیت سولدر و هزینه)
6چرا کار می کند: FR4 هزینه های پایین را حفظ می کند، 2 اونس مس جریان شارژ (15A) را کنترل می کند و ENIG جوش قابل اعتماد BGA (0.4mm pitch) را تضمین می کند.

ماشین آلات (EV Inverter PCB)
1زیربنای: هسته آلومینیومی (MCPCB)
2. ورق مس: 3 اونس الکترولیتیک (دستگیره 50A جریان)
3ماسک جوش: LPI با Tg بالا (Tg 180°C)
4.پوش ابریشم: مبتنی بر اپوکسی (مقاوم روغن / مواد شیمیایی)
5سطح: ENEPIG (مقاومت به خوردگی، بدون پد سیاه)
6چرا کار می کند: MCPCB گرما IGBT را از بین می برد، 3 اونس مس جریان بالا را حمل می کند و ENEPIG در شرایط زیر هود مقاومت می کند.

پزشکی (پی سی بی کنترل کننده پیس میکر)
1زیربنای: پلیایمید (مرسوم، سازگار با زیست شناسی)
2ورق مس: 1 اونس رول (مرسوم، خشکی سطح پایین)
3. ماسک سولدر: LPI انعطاف پذیر (بر اساس پلی آمید، سازگار با زیست)
4.پوشک ابریشم: اپوکسی (در برابر مایعات بدن مقاومت می کند)
5سطح: ENEPIG (مقاوم ضدعفونی، عمر طولانی)
6چرا کار می کند: پلیایمید با حرکت بدن خم می شود، مس رول شده از ترکیدن جلوگیری می کند و ENEPIG با استانداردهای ISO 13485 مطابقت دارد.

هوافضا (PCB ارتباطات ماهواره ای)
1زیربنای: PTFE (Dk پایین برای سیگنال های 60GHz)
2ورق مس: 2 اونس رول شده (مقاوم تشعشعات)
3ماسک جوش: LPI با Tg بالا (Tg 180 °C، مقاوم در برابر تشعشعات)
4.پوش ابریشم: اپوکسی (مقاوم خلاء و نوسانات دمایی)
5سطح: ENIG (مدت نگهداری 18 ماه)
6چرا کار می کند: PTFE از دست دادن سیگنال را در فضا به حداقل می رساند، مس رول شده در برابر آسیب تابش مقاومت می کند و ENIG پس از ذخیره سازی طولانی مدت تضمین می کند.

سوالات متداول در مورد مواد PCB
س: آیا می توانم مواد مختلف زیربنایی را در یک PCB مخلوط کنم؟
A: بله PCB های ترکیبی مواد را برای نیازهای خاص ترکیب می کنند. به عنوان مثال ، یک PCB روتر 5G ممکن است از Rogers برای بخش mmWave (Dk پایین) و FR4 برای بقیه (توجه به هزینه) استفاده کند.فقط مطمئن شوید که مواد CTE مشابه (معادل گسترش حرارتی) را داشته باشند تا از انحراف در طول جریان مجدد جلوگیری شود.

سوال: تفاوت بین 1 اونس و 2 اونس مس برای ردپای سیگنال چیست؟
A: 1 اونس مس (35μm) برای اکثر سیگنال ها (≤10A ، ≤1GHz) کافی است ، در حالی که 2 اونس (70μm) برای جریان های بالاتر (10 ′′ 30A) یا مقاومت پایین تر (برای ردپای های طولانی در PCB های صنعتی) مورد نیاز است.2 اونس مس همچنین گرمای بهتر را از بین می برد، کاهش دمای ردیابی 15°C در 20A.

س: چرا رنگ استاندارد ماسک جوشگر سبز است؟
A: جوهر سبز از یک رنگدانه (سبز فتالوسیانین) استفاده می کند که ارزان قیمت، UV پایدار و دارای کنتراست بالا با مس است.خراش)رنگ های دیگر (سیاه، سفید) زیبایی شناختی یا کاربردی هستند اما هزینه بیشتری دارند.

س: آیا ENEPIG ارزش هزینه اضافی نسبت به ENIG را دارد؟
A: برای کاربردهای با قابلیت اطمینان بالا (طبی، هوافضا) ، yes ENEPIG یک لایه پالادیوم را اضافه می کند که از بین می برد "پد سیاه" (یک نقطه شکست عمده در ENIG) و قدرت پیوند سیم را 30٪ بهبود می بخشد.برای لوازم الکترونیکی مصرفیENIG معمولاً کافی است.

س: آیا PCB های انعطاف پذیر می توانند از زیربنای FR4 استفاده کنند؟
A: No √ FR4 سفت است و در هنگام خم شدن ترک می کند. PCB های انعطاف پذیر نیاز به زیربنای پلی آمید یا پلی استر دارند که با ورق مس رول شده (به اندازه کافی کششی برای مقاومت در برابر خم شدن) جفت شده است.

نتیجه گیری
مواد PCB قابل تعویض نیستند هر یک از گزینه ها (سربست، مس، ماسک جوش، پایان) به طور مستقیم بر عملکرد، قابلیت اطمینان و هزینه تأثیر می گذارد.FR4 و کار مس 1 اونس برای 80٪ از کاربردهای مصرف کننده، اما 5G، EV ها و دستگاه های پزشکی به مواد تخصصی مانند Rogers، 2 اونس+ مس و ENEPIG نیاز دارند.
کلید موفقیت هماهنگی مواد با نیازهای منحصر به فرد درخواست شما است:
a.بهترین اولویت را برای زیربناهای کم Dk برای طرح های فرکانس بالا قرار دهید.
ب. برای مسیرهای جریان بالا مس ضخیم تر را انتخاب کنید.
ج. استفاده از مواد با دمای بالا برای محیط های خودرو و صنعت.
d.سرمایه گذاری در پایان های برتر (ENEPIG) برای PCB های طولانی مدت یا ایمنی حیاتی.
با پیروی از این راهنما، شما از ۳۵٪ شکست PCB ناشی از عدم تطابق مواد جلوگیری خواهید کرد و محصولاتی را که اهداف عملکرد را برآورده می کنند، در بودجه باقی می مانند و آزمون زمان را تحمل می کنند، ایجاد خواهید کرد.این که آیا شما یک مهندس با تجربه هستید یا یک بنیانگذار استارتاپ، تسلط بر مواد PCB اولین گام برای ایجاد الکترونیک است که عملکرد و دوام بیشتری نسبت به رقابت دارد.