Materiały do obwodów drukowanych

Podstawowe konstrukcyjne elementy płytki drukowanej to dielektryczne podłoże (twarde lub elastyczne), na powierzchni którego znajdują się miedziane przewodniki (ścieżki). Do instalacji podzespołów elektronicznych i ich połączeń stosuje się dodatkowe elementy: punkty lutownicze (pady), przelotki, otwory metalizowane i niemetalizowane (montażowe), duże miedziane obszary (poligony) do odprowadzenia ciepła, ekranowania itp.

Jako dielektryczne podłoża mogą być stosowane laminaty szklano-epoksydowe lub materiały kompozytowe. Podstawowe rodzaje i parametry materiałów stosowanych do produkcji obwodów drukowanych podano w tabeli.

Materiał	Opis	Temperatura zeszklenia Tg	Stała dielektryczna Dk	Producenci
FR4	Skrót FR pochodzi od Fire Retardant. Laminat wykonany jest z włókna szklanego z żywicą epoksydową. Jest to najczęściej używany materiał do płytek drukowanych.	135°C	3,8-4,7	Shengyi, Isola, Nanaya, KB, Goldenmax
FR4 bezhalogenowy	Ten rodzaj laminatu nie zawiera halogenu, antymonu, fosforu, itp., nie wydziela szkodliwych substancji podczas spalania.	140°C	4,5 -4,9	Shengyi, Nanya
FR4 High Tg, FR5	Te rodzaje laminatów bardzo dobrze nadają się do lutowania bezołowiowego.	170°C	3,8-4,6	Nanya, Nelco, Panasonic
RCC	RCC to jest miedzana folia pokryta żywicą epoksydową.	130°C	4,0	SengYi, Nelco
PD	Materiał z poliimidu na podstawie z włókien aramidowych.	260°C	4,4	Arlon, Nelco
Do wysokiej częstotliwości (z PTFE)	Laminaty dla obwodów drukowanych do zakresu bardzo wysokiej częstotliwości, gdy wymagane są niski współczynnik strat dielektrycznych (Df) oraz bardzo stabilna stała dielektryczna (Dk).	240–280°C	2,2–10,2	Taconic, Rogers
Do wysokiej częstotliwości (inne niż PTFE)		240–280°C	3,5	Rogers
Poliimid	Materiał do produkcji elastycznych i sztywno-elastyczne obwodów drukowanych.	195-220°C	3,4	Dupont, Taiflex

Typowe konstrukcje płytek drukowanych oparte są na zastosowaniu standardowego laminatu szklano-epoksydowego typu FR4, z roboczą temperaturą, zazwyczaj, od -50 do + 110°C, temperaturą zeszklenia Tg około 135°C. Stała dielektryczna Dk może wynosić od 3,8 do 4,6 w zależności od dostawcy i rodzaju materiału. Przy podwyższonych wymaganiach w zakresie odporności na działanie ciepła lub przy montażu płytek w piecu w technologii bezołowiowej (temp. do 260°C) stosuje się wysokotemperaturowy FR4 High Tg lub FR5. Przy wymaganiach dotyczących stałej pracy w wysokich temperaturach lub przy nagłych spadkach temperatur stosuje się poliimid. Oprócz tego poliimid wykorzystuje się do produkcji płytek o podwyższonej niezawodności, do zastosowań wojskowych, a także w przypadkach gdy jest potrzebna podwyższona wytrzymałość elektryczna. Dla płytek z obwodami bardzo wysokiej częstotliwości (b.w.cz) - powyżej 2 GHz, stosują się poszczególne warstwy materiału b.w.cz. lub płytka jest całkowicie wykonywana z materiału b.w.cz. Najbardziej znani dostawcy specjalnych materiałów - Rogers, Arlon, Taconic, Dupont. Cena tych materiałów jest wyższa niż podstawowego materiału FR4.

FR-4

Rodzina materiałów pod ogólną nazwą FR-4 według klasyfikacji NEMA (National Electrical Manufacturers Association, USA). Materiały te są najbardziej rozpowszechnione do produkcji jednostronnych, dwustronnych oraz wielowarstwowych obwodów drukowanych o podwyższonych wymaganiach w zakresie wytrzymałości mechanicznej. FR- 4 stanowi materiał kompozytowy na bazie tkaniny z włókna szklanego (laminat szklano-epoksydowy). Zazwyczaj jest w kolorze matowym żółtawym lub przezroczysty, standardowy zielony kolor nadaje mu maska lutownicza nanoszona na powierzchnię obwodu drukowanego. Klasa palności UL94-V0.

W zależności od właściwości i zastosowania FR- 4 dzieli się na następujące podklasy:

• standardowy, z temperaturą zeszklenia Tg ~ 130°C, z ultrafioletową blokadą (UV blocking) lub bez niej. Najbardziej rozpowszechniony i szeroko stosowany typ, równocześnie najtańszy z FR- 4;

• z wysoką temperaturą zeszklenia, Tg ~ 170°C- 180°C, nadaje się do technologii bezołowiowego cynowania i lutowania;

• bezhalogenowy, nadaje się do technologii bezołowiowego cynowania i lutowania;

• z normowanym indeksem CTI ≥ 400, ≥ 600;

FR-1/FR-2

Klasa materiałów FR-1 i FR-2 według klasyfikacji NEMA. Takie materiały kompozytowe, produkuje się z podstawy fenolowo-papierowej i stosuje się tylko do produkcji jednostronnych płytek drukowanych. FR-1 i FR-2 mają podobne parametry, FR-1 różni się od FR-2 wyłącznie wyższą temperaturą zeszklenia. Wobec podobieństwa parametrów i zakresu zastosowania FR-1 i FR-2, większość producentów materiałów produkuje tylko jeden z tych materiałów, najczęściej FR-1. Materiały doskonale nadają się do obróbki mechanicznej (frezowanie, wycinanie). Klasa palności UL94-V0.

Dzieli się na następujące podklasy:

• standardowy;

• bezhalogenowy, bez zawartości fosforu i antymonu, nietoksyczny;

• z normowanym indeksem CTI ≥ 400, ≥ 600;

• wodoodporny;

CEM-1

Klasa materiałów CEM-1 według klasyfikacji NEMA. Takie materiały kompozytowe, produkowane są z podstawy fenolowo-papierowej, z dwoma warstwami tkaniny szklanej na zewnątrz. Zazwyczaj w kolorze mleczno-białym lub mleczno-żółtym. Są niekompatybilne z procesem metalizacji przelotek, dlatego stosuje się je tylko do produkcji jednostronnych płytek drukowanych. Właściwości dielektryczne zbliżone do FR- 4, właściwości mechaniczne są nieco gorsze. CEM- 1 jest dobrą alternatywą FR-4 do produkcji jednostronnych płytek drukowanych, kiedy cena jest czynnikiem decydującym. Materiał doskonale nadaje się do obróbki mechanicznej (frezowanie, wycinanie). Klasa palności UL94-V0.

Dzieli się na następujące podklasy:

• standardowy;

• wysokotemperaturowy, nadaje się do technologii bezołowiowego cynowania i lutowania;

• bezhalogenowy, bez zawartości fosforu i antymonu;

• z normowanym indeksem CTI ≥ 600;

• wodoodporny, z podwyższoną stabilnością wymiarów;

CEM-3

Rodzina materiałów CEM-3 według klasyfikacji NEMA. Materiał kompozytowy na podłożu z włókna szklanego epoksydowego zazwyczaj w kolorze mleczno-białym lub przezroczysty. Jest często używany do produkcji dwustronnych płytek drukowanych. Pod względem swoich właściwości bardzo zbliżony do FR- 4 i różni się tylko mniejszą wytrzymałością mechaniczną. Jest tańszą alternatywą FR-4 do absolutnej większości zastosowań. Materiał doskonale nadaje się do obróbki mechanicznej (frezowanie, wycinanie). Klasa palności UL94-V0.

W zależności od właściwości i zastosowania CEM-3 dzieli się na następujące podklasy:

• standardowy, z ultrafioletową blokadą (UV blocking) lub bez niej;

• wysokotemperaturowy,  nadaje się do technologii bezołowiowego cynowania i lutowania;

• bezhalogenowy, bez zawartości fosforu i antymonu;

• z normowanym indeksem CTI ≥ 600;

RO3000

Seria materiałów opracowanych do szerokiego zastosowania na początku lat 90-tych XX wieku. Materiały te mają doskonałe właściwości elektryczne w zakresie bardzo wysokich częstotliwości. Współczynnik rozszerzenia cieplnego (CTE - Coefficient of Thermal Expansion) wzdłuż osi X i Y dla tych materiałach jest zbliżony pod względem wartości do CTE miedzi i FR4, co umożliwia wytwarzanie niezawodnych RO3000 / FR4 zestawów hybrydowych. Niskie straty dielektryczne (Df ~ 0,0013 przy częstotliwości 10 GHz) są wielką zaletą przy wykorzystaniu laminatów tej serii w urządzeniach mikrofalowych.

RO4000

To seria materiałów do zastosowania przy dużej częstotliwości. Były opracowane tak, aby z jednej strony zapewnić jakościowe parametry do zakresów bardzo wysokich częstotliwości, porównywalne z materiałami zawierającymi policzterofluoroetylen (PTFE), a z drugiej strony - maksymalnie uprościć technologię produkcji płytek, czyli uczynić ją zgodną z tradycyjną technologią obróbki zbrojonych laminatów (FR4). Materiały RO4000 stanowią włókno szklane z wysoką temperaturą zeszklenia (Tg ~ 280 °C) z wypełnieniem z polimeru termoutwardzalnego z dodatkiem ceramiki.

Poliimid

Stanowi elastyczną polimerową folię odgrywającą rolę podłoża elastycznych płytek drukowanych. Istnieje szereg formuł poliimidu pod handlowymi markami Kapton, Rogers, Dupont. Zalety: doskonała elastyczność we wszystkich temperaturach, dobre właściwości elektryczne, doskonała odporność chemiczna (z wyjątkiem gorących stężonych zasad), bardzo dobra wytrzymałość na rozrywanie. Niektóre rodzaje poliimidów mają dodatkowe zalety (współczynnik rozszerzenia zgodny z miedzią). Temperatura robocza od -200°C do + 300°C. Wady: wysokie wchłanianie wody (do 3% wagowo), stosunkowo wysoka cena. Pomimo wysokiej temperatury zeszklenia, wysokotemperaturowe właściwości płytek z poliimidów ograniczają spoiwa do sklejania warstw.

Grubość folii z poliimidu może zmieniać się w szerokim zakresie, jednakże w praktyce większość oferowanych materiałów elastycznych ma grubość w wąskim zakresie od 12 do 125 μm. Przy projektowaniu elastycznych obwodów drukowanych może przydać się taka zasada: sztywność materiałów elastycznych jest proporcjonalna do sześcianu ich grubości. Oznacza to, że jeżeli grubość materiału podwaja się, staje się on ośmiokrotnie sztywniejszy i przy tym samym obciążeniu odkształci się osiem razy mniej.