Dlaczego surowce do płyt PCB są takie ważne: wydajność, niezawodność i koszt

Wiedza na temat surowców stosowanych w produkcji płytek drukowanych (PCB) jest niezbędna do optymalizacji wydajności, niezawodności i efektywności kosztowej urządzeń elektronicznych. Każda płytka PCB musi spełniać wymagania specyficzne dla danego zastosowania w zależności od środowiska pracy, dlatego tak ważny jest dobór materiałów o odpowiednich właściwościach. Grupa ICAPE zajmuje się produkcją i dostawą płytek PCB od 1999 roku. Na swojej stronie internetowej firma przedstawiła kluczowe kwestie dotyczące materiałów stosowanych w branży.

Podłoża i warstwy miedzi

Surowce do PCB składają się z organicznych i nieorganicznych podłoży oraz przewodzących warstw miedzi. Podłoża organiczne to rdzenie papierowe nasączone żywicami fenolowymi lub tkaniny szklane (tkane i nietkane) impregnowane żywicami epoksydowymi, poliamidowymi, cyjanianowymi lub BT. Materiały nieorganiczne to m.in. ceramika, aluminium oraz struktury miedź-invar-miedź.

Wybór podłoża organicznego zależy od właściwości fizycznych wymaganych w danym zastosowaniu – takich jak temperatura pracy, częstotliwość czy wytrzymałość mechaniczna. Z kolei materiały nieorganiczne stosuje się tam, gdzie kluczowe jest skuteczne zarządzanie ciepłem.

Rodzaje surowców do produkcji PCB

Podłoże stanowi bazę, do której laminuje się miedź, zapewniającą wsparcie strukturalne dla komponentów elektronicznych. Najczęściej stosowane materiały podłożowe to: FR-4, CEM-1, CEM-3, węglowodory wypełnione ceramiką, PTFE, modyfikowane żywice epoksydowe, BT (bismaleimid-triazyna), aluminium, ceramika oraz materiały elastyczne.

Materiały przewodzące służą do tworzenia ścieżek, pól lutowniczych i przelotek na powierzchni PCB. Miedź jest najczęściej stosowanym materiałem przewodzącym ze względu na doskonałe przewodnictwo elektryczne i przystępną cenę. W wyspecjalizowanych zastosowaniach (np. na podłożach ceramicznych) wykorzystuje się również srebro i złoto.

W projektach wysokoczęstotliwościowych zaawansowane materiały, takie jak modyfikowane żywice epoksydowe czy węglowodory wypełnione ceramiką, oferują lepsze parametry elektryczne, niskie straty dielektryczne oraz stabilność termiczną. Aplikacje RF i mikrofalowe często wymagają zastosowania materiałów takich jak PTFE czy ceramika.

W zastosowaniach wymagających skutecznego odprowadzania ciepła często wykorzystuje się konstrukcje IMS (Insulated Metal Substrate), np. płytki aluminiowe. Z kolei ceramiczne PCB sprawdzają się w środowiskach o wysokiej temperaturze.

Materiały elastyczne, takie jak poliimid, są idealne do zastosowań kompaktowych i mobilnych – np. w urządzeniach “ubieralnych” czy implantach medycznych.

Dobór materiału zależy od wymagań aplikacji, kosztów oraz wymogów wydajnościowych. Oto przegląd najpopularniejszych typów materiałów stosowanych w PCB:

FR-4
Najczęściej stosowany materiał do PCB, odpowiedni do szerokiego zakresu zastosowań, w tym elektroniki konsumenckiej, systemów motoryzacyjnych, automatyki przemysłowej, wojska i medycyny.

Zalety:

• Doskonała izolacja elektryczna
• Dobra wytrzymałość mechaniczna i stabilność wymiarowa
• Opłacalność
• Szeroka dostępność

Wady:

• Ograniczone przewodnictwo cieplne
• Nie nadaje się do wykrawania

CEM-1
Zwykle stosowany w taniej elektronice użytkowej i sprzęcie AGD.

Zalety:

Niska cena

• Dobrze znosi proces wykrawania

Wady:

• Nie nadaje się do płytek dwustronnych z przelotkami

CEM-3
Używany w podobnych zastosowaniach jak CEM-1, ale umożliwia stosowanie przelotek. Dobra alternatywa dla FR-4 w zastosowaniach kosztowych.

Wady:

Mniej dostępny niż FR-4

Modyfikowany FR-4 na bazie epoksydu
Powszechnie stosowany w aplikacjach o wysokiej wydajności, takich jak HDI, lotnictwo czy telekomunikacja.

Zalety:

• Lepsze właściwości elektryczne przy wyższych częstotliwościach
• Niższe straty dielektryczne niż standardowy FR-4
• Poprawiona stabilność termiczna

Wady:

• Wyższy koszt niż standardowy FR-4

IMS (Insulated Metal Substrate)
Zwykle na bazie aluminium, stosowane w aplikacjach wymagających efektywnego odprowadzania ciepła, np. oświetlenie LED, zasilacze, elektronika samochodowa.

Zalety:

• Doskonałe przewodnictwo cieplne
• Niska masa
• Dobra stabilność wymiarowa
• Relatywnie niski koszt

Wady:

• Trudniejsza obróbka
• Złożona produkcja struktur wielowarstwowych

Elastyczne PCB
Stosowane tam, gdzie potrzebna jest elastyczność mechaniczna lub ograniczenia przestrzenne, np. wearables, medycyna, motoryzacja.

Zalety:

• Elastyczność i możliwość wyginania,
• Zmniejszenie rozmiaru i masy,
• Konstrukcje rigid-flex zapewniają bardziej niezawodne połączenia niż osobne płytki z kablami.

Wady:

• Droższe niż sztywne PCB,
• Niższa wytrzymałość mechaniczna.

Płytki ceramiczne
Stosowane w aplikacjach wysokotemperaturowych i dużej mocy – np. elektronika mocy, opakowania LED, czujniki.

Zalety:

• Doskonałe przewodnictwo cieplne
• Odporność na wysokie temperatury
• Wysoka stabilność wymiarowa

Wady:

• Wyższy koszt niż FR-4
• Kruchość – wymaga ostrożnego obchodzenia się
• Ograniczona dostępność struktur wielowarstwowych
• Trudność obróbki

Węglowodory wypełnione ceramiką / PTFE
Stosowane w aplikacjach o wysokiej częstotliwości i wydajności – RF, mikrofale, lotnictwo, telekomunikacja

Zalety:

• Doskonałe właściwości elektryczne przy wysokich częstotliwościach
• Niskie straty dielektryczne
• Dobra stabilność cieplna

Wady:

• Wyższy koszt niż FR-4
• Ograniczona dostępność niektórych formulacji

Różne płytki PCB wymagają różnych materiałów
Podsumowując, surowce do PCB – zarówno podłoża, jak i warstwy przewodzące – stanowią fundament produkcji płytek drukowanych.

Do najczęściej używanych podłoży należą: FR-4, CEM-1, CEM-3, węglowodory z dodatkiem ceramiki, PTFE, modyfikowane epoksydy, aluminium, ceramika oraz materiały elastyczne – każdy z nich posiada właściwości dostosowane do konkretnych zastosowań.

Miedź pozostaje najpopularniejszym materiałem przewodzącym z racji świetnego przewodnictwa i konkurencyjnej ceny. W płytkach ceramicznych stosuje się również srebro i złoto.

Materiały takie jak węglowodory z dodatkiem ceramiki oraz PTFE oferują znakomite właściwości elektryczne, niskie straty dielektryczne i stabilność termiczną – idealne do projektów mikrofalowych, milimetrowych i RF. Płytki na bazie aluminium dobrze odprowadzają ciepło i sprawdzają się w oświetleniu LED oraz elektronice mocy.

Elastyczne podłoża, takie jak poliimid, zapewniają większą swobodę projektowania i zmniejszenie wymiarów – idealne dla zastosowań kompaktowych, dynamicznych, takich jak urządzenia noszone czy implanty medyczne. Z kolei ceramika oferuje doskonałe rozpraszanie ciepła, odporność termiczną i stabilność wymiarową – niezbędną w środowiskach o wysokiej temperaturze i mocy.

Ostatecznie, przy wyborze materiałów do PCB należy uwzględniać takie czynniki jak: wydajność elektryczna, potrzeby w zakresie zarządzania ciepłem, wytrzymałość mechaniczna, koszty oraz wpływ na środowisko.