Baskılı Devre Kartlarında (PCB'ler) Kullanılan Malzemeler: Üreticiler İçin Kapsamlı Bir Rehber.

Müşteriler tarafından insanlaştırılmış görüntüler

Basılı devreler (PCB) akıllı telefonlardan uzay aracına kadar her elektronik cihazın görünmez omurgasıdır, ancak performansları tamamen onları inşa etmek için kullanılan malzemelere bağlıdır.Bir akıllı telefonun 5G modemi, sinyal kesilmesinden kaçınmak için düşük kayıplı substrat malzemelere dayanır, EV'nin batarya yönetim sistemi (BMS) ise yüksek akımları yönetmek için ısıya dayanıklı bakır folyoya ihtiyaç duyar. Yanlış malzeme seçimi erken arızalara, pahalı yeniden işlemeye,veya hatta güvenlik tehlikeleri (eÖrneğin, tıbbi cihazlarda aşırı ısınma).

Bu kılavuz, PCB'yi oluşturan kritik malzemeleri, benzersiz özelliklerini ve uygulamanız için doğru olanları nasıl seçeceğinizi ayrıntılı şekilde açıklar.Temel substratlardan ve iletken bakır folyolardan koruyucu lehim maskelerine ve güvenilirliği artıran yüzey kaplamalarına kadar her şeyi kapsayacağız.İster bir tüketici cihazı, ister kritik bir havacılık bileşeni tasarlıyorsanız,Bu malzemeleri anlamak, PCB'leri yapmanın anahtarıdır., son ve maliyet hedeflerini karşılamak.

Önemli Önemli Noktalar
a. Substrat malzemeleri (örneğin, FR4, Rogers, polyimid) bir PCB'nin termal, elektrik ve mekanik performansını belirler.Rogers ise 5G/mmWave tasarımlarında başarılı..
b. Bakır folyo kalınlığı (1oz) ve türü (elektrolitik vs yuvarlanmış) etkisi akım taşıma kapasitesi: 2oz bakır 30A+ akımları (EV'ler için kritik),Rulo bakır giyilebilir cihazlar için esneklik sağlarken.
c.Leğen maskeleri (özellikle yeşil LPI) izleri korozyondan ve leğen köprüleri korur, otomotiv ve endüstriyel PCB'ler için yüksek sıcaklık değişkenleri (Tg ≥ 150 °C) gereklidir.
D.Yüzey bitirme (ENIG, HASL, ENEPIG) solderability ve ömrü belirler: ENEPIG tıbbi / havacılık için altın standarttır, HASL düşük güvenilirlik cihazları için maliyet verimli kalır.
e.Materyal seçimi hataları PCB arızalarının% 35'ine neden olur (IPC verileri) (örneğin, sıcaklık, frekans, akım) uygulama ihtiyaçlarına uygun malzemeleri eşleştirmek alan arıza oranlarını% 50 oranında azaltır.

1. PCB Altyapı Malzemeleri: Performansın Temelleri
Substrat, bakır izleri, bileşenleri ve diğer PCB katmanlarını barındıran iletken olmayan bazdır.
a. Isı iletkenliği: PCB'nin ısıyı ne kadar iyi dağıttığı (IGBT'ler gibi yüksek güçlü bileşenler için kritik).
b.Dielectric sabit (Dk): Elektriksel sinyalleri ne kadar iyi yalıtır (düşük Dk = daha iyi yüksek frekanslı performans).
c.Mekanik dayanıklılık: Deformasyona, bükülmeye veya çatlamaya karşı direnç (sert ortamlar için anahtar).

Aşağıda en yaygın altyapı malzemeleri, seçim kılavuzluğu için ayrıntılı bir karşılaştırma ile gösterilmiştir:

Altyapı Seçimi Neden Önemlidir?
a.Tüketici Elektronikleri: FR4, düşük maliyeti ve yeterli termal performansı (0.3 W/m·K) ile akıllı telefonların ve tabletlerin 1 ¢5W güç ihtiyacını karşılamaktadır.Bir iPhone 15'teki 6 katmanlı FR4 PCB ~(2.50, Rogers eşdeğeri için 12.50'ye karşı.
b.5G/Telekom: Rogers RO4350'nin düşük Dk (3.48) 28GHz'de sinyal kaybını en aza indirir ve 5G baz istasyonları için gereklidir.
c. Havacılık: Polyimid substratları -55 °C'den 200 °C'ye kadar sıcaklık dalgalanmalarına dayanabilir ve radyasyona karşı dayanıklıdır, böylece uydu PCB'leri için idealdir.NASA'nın James Webb Uzay Teleskobu, kriyojenik aletleri için poliamid bazlı PCB'ler kullanıyor.
d.EV'ler: EV invertörlerindeki alüminyum çekirdek (MCPCB) substratlar, FR4'ten 3 kat daha hızlı ısı dağıtır ve IGBT bağlantı sıcaklıklarını 125 °C'den (termal boğma eşiği) aşağı tutar.

2Bakır folyo: İletici omurga
Bakır folyo, PCB'de elektrik sinyalleri ve gücü taşıyan izler, düzlemler ve bantlar oluşturan iletken malzemedir. Kalınlığı, türü ve saflığı akım kapasitesini doğrudan etkiler,esneklik, ve maliyet.

Bakır folyo özellikleri
a.Kalınlık: ¢ ons (oz) ¢ (1oz = 35μm kalınlık) ölçülür.
1 oz: Tüketici elektroniklerinde düşük akım sinyalleri için idealdir (≤10A).
2 oz: 10-30A akımları (EV BMS, endüstriyel motor sürücüleri).
3 ̊5 oz: EV invertörleri veya kaynak ekipmanları gibi yüksek güç uygulamaları için (50A +).
b.Tipi: Her biri özel ihtiyaçlara uygun iki ana çeşit:

Bakır Folyo için Önemli Noktalar
a.Akım Kapasitesi: 1 mm genişliğinde, 2 oz bakır izi 25 °C'de ~ 30A taşır (IPC-2221 standardı). Daha yüksek akımlar için daha geniş izler (örneğin, 2 mm genişliğinde, 2 oz = 50A) veya daha kalın folyo (3 oz = 45A 1 mm genişliğinde) kullanın.
b.Yüzey Kabalığı: Yontulmuş bakır, yüksek frekanslarda sinyal kaybını azaltan elektrolitik (Ra 1 ¢ 2 μm) daha pürüzsüz bir yüzeye (Ra < 0,5 μm) sahiptir.
Esneklik: Yuvarlanabilir telefonlar veya giyilebilir sensörler için kritik olan 10.000+ bükme döngüsüne (elektrolitik için 1.000'e karşı) dayanabilir.

Örnek: Tesla'nın Model Y BMS'si, PCB'yi pil paketine sığacak kadar ince tutarken, güç uçakları için 2 oz elektrolitik bakır folyo kullanır.

3- Lehim maske: İzleri Korumak ve Kısa Şortları Önlemek
a. Solder maskesi, bakır izlerinin üzerine uygulanan sıvı veya kuru bir filmdir (paddler hariç):
b. Bakırı oksidasyondan ve korozyondan korur.
C. Yakın izler arasında kazara lehim köprüleri önlemek (yüksek yoğunluklu PCB'lerde yaygın).
d. Islakları nemden, tozdan ve kimyasallardan yalıtır.

Genel Lehim Maskeleri Türleri
Sıvı Foto Görüntülebilir (LPI) lehim maskesi, modern PCB'lerin% 95'inde sıvı olarak uygulanır, UV ışığına maruz kalır (bir fotomaska aracılığıyla) ve bantları açık bırakmak için geliştirilmiştir.(Skrin basılı) daha düşük hassasiyet nedeniyle bugün nadirdir..

Soldo maskesinin rengi neden önemlidir?
a.Yeşil: Endüstri standardı: uygun fiyatlı, denetimi kolay (bakırla karşılaştırıldığında) ve çoğu işlemle uyumludur.
b.Siyah: Estetik açıdan yüksek kaliteli cihazlarda (örneğin, premium akıllı telefonlar) popüler, ancak denetlemek daha zordur (defektleri kontrol etmek için UV ışığı gerektirir).
c. Beyaz: LED PCB'lerde kullanılır “LED parlaklığını %15 artırmak için ışığı yansıtır.

Önemli Not: Kapüşon altındaki ortamlarda (125°C+) çalışan otomotiv PCB'leri için yüksek sıcaklık LPI (Tg ≥150°C) zorunludur.Kısa devreye yol açan.

4İpek ekran mürekkebi: Etiketleme ve tanımlama
İpek ekran mürekkebi, PCB'lere uygulanan son katmandır. Metin, logolar, bileşen referansları (örneğin, R1, U2) ve kutupluk işaretleri.Montaj için (yapılacak parçaların yerleştirilmesi) ve bakım için (tamir edilecek parçaları tanımlamak) kritiktir..

İpeklik mürekkep türleri
Çoğu mürekkep epoksi bazlı (sıcaklığa ve kimyasallara dayanıklı) veya UV-sağarılabilir (büyük hacimli üretim için hızlı kurutma).

İpek ekranı için en iyi uygulama
a.Yazı tipi boyutu: En az 0.8mm uzunluğunda metin kullanın.
b.Kürsü: Mürekkebi bantlardan 0.1mm uzakta tutun. Bantlardaki mürekkep lehimlenmeyi engeller (montaj kusurlarının başlıca nedeni).
c.Dayanıklılık: Endüstriyel PCB'ler için sık sık temizlenmeye veya kullanıma tabi olabilecek epoxy mürekkepleri tercih edilir.

Örnek: Endüstriyel motor sürücüleri tamir eden bir fabrika, hatalı bir direnci (R45) belirlemek için epoksi ipek ekranına dayanır.

5. PCB Yüzeyi Bitirme: Solderability ve Uzun ömürlülük sağlamak
Yüzey kaplamaları, kaplamalara maruz bakır yastıkları:
a. Oksitlenmeyi önlemek (bu da solderability'i mahveder).
b.Leğenlemenin güvenilirliğini artırmak.
c. PCB raf ömrünü uzatmak (6 aydan 2 yıla kadar).
Bu, en kritik malzeme seçimlerinden biridir. Kötü bitirme, lehim arızalarının% 25'ine neden olur (IPC verileri). Aşağıda en yaygın seçeneklerin bir karşılaştırması:

Nihai Seçim Neden Anlaşılmaz?
a.Tıbbi Cihazlar: ENEPIG zorunludur. “siyah yastıktan” (eklem başarısızlığına neden olan kırılgan bir nikel-altın bileşiği) kaçınır ve otoklav sterilizasyonuna (134 °C, 2 bar basınç) dayanır.
b.Aerospace: ENIG'in 18 aylık raf ömrü, PCB'lerin uzun süre depolama sırasında satılabilir kalmasını sağlar (örneğin, uydu bileşenleri fırlatılmadan önce 2 yıl depolanır).
c.Tüketici Elektronikleri: HASL, PCB'lerin hızlı bir şekilde monte edildiği ve her 2-3 yılda bir değiştirildiği televizyonlar veya oyuncaklar için maliyetle etkilidir.
d.EV'ler: ENEPIG, ADAS radar PCB'lerinde kullanılır. Korozyon direnci (1500 saatlik tuz püskürtmesi) yol tuzundan ve nemden kaynaklanan arızaları önler.

6Malzeme Seçim Çerçevesi: Doğru Kombinasyonu Nasıl Seçilir?
Bu kadar çok seçenekle PCB malzemelerinin seçilmesi ezici hissettirebilir.

Adım 1: Performans Gereksinimlerini Belirle
a.Elektrik: Maksimum frekans (örneğin, 5G için 28GHz) veya akım (örneğin, EV BMS için 30A) nedir? Yüksek performans için düşük Dk substratları (Rogers) ve kalın bakır (2oz+) gereklidir.
b.Termik: Maksimum çalışma sıcaklığı nedir (örneğin otomotiv için 150 °C)? Yüksek Tg altyapıları (FR4 Tg 170 °C) ve ısı dağılımı için MCPCB'leri seçin.
c.Mekanik: PCB bükülecek mi (giyilebilir) veya titreşime dayanacak mı (havacılık)?

2. Adım: Maliyet ve Değer
a.Tüketici Elektronikleri: Fiyat noktalarını karşılamak için düşük maliyetli malzemelere (FR4, 1 oz elektrolitik bakır, HASL) öncelik verin (örneğin, 200 dolarlık bir akıllı telefon Rogers substratlarını karşılayamaz).
b. Yüksek güvenilirlik (Tıbbi / Havacılık): Üst düzey malzemelere yatırım yapın (ENEPIG, poliyimid, Rogers) ′′100k+ garanti taleplerinden veya düzenleyici para cezasından kaçınır.

Adım 3: Üretim uyumluluğunu kontrol edin
A. Malzemelerin montaj işleminizle birlikte çalışmasını sağlayın:
Esnek PCB'ler yuvarlanma sırasında elektrikli bakır çatlayacaktır.
Yüksek hacimli sürümler (100k+ PCB) UV-sağarılabilir ipek ekranından (hızlı sağarma) epoxy'ye karşı (daha yavaş) yararlanmaktadır.

Adım 4: Uyumun doğrulanması
a. Otomotiv: Malzemeler IATF 16949'a uymalıdır (örneğin, yüksek Tg kaynak maskesi, ENEPIG).
b.Tıbbi: ISO 13485 biyolojik uyumlu malzemeler gerektirir (örneğin, ENEPIG, poliyimid).
c.Dünya Piyasaları: RoHS uyumluluğu kurşun yasakları “kurşunsuz HASL (Sn-Cu) veya ENIG seçin.

7Endüstriye göre gerçek dünya malzeme kombinasyonları
Malzeme seçimini somutlaştırmak için, burada yaygın uygulamalar için kanıtlanmış kombinasyonlar vardır:

Tüketici Elektronikleri (Akıllı Telefon Ana PCB)
1Substrat: Yüksek Tg FR4 (Tg 170°C)
2Bakır folyo: 1 oz elektrolitik (sinyal katmanları), 2 oz elektrolitik (güç uçakları)
3. Solder maskesi: Standart LPI yeşil (Tg 130°C)
4İpek ekranı: UV-kurulabilir epoksi (0.8mm metin)
5Yüzey Dönüşümü: ENIG (solde edilebilirlik ve maliyeti dengeler)
6.Neden Çalışır: FR4 maliyetleri düşük tutar, 2 oz bakır şarj akımlarını (15A) tutar ve ENIG güvenilir BGA lehimlemeyi sağlar (0.4 mm pitch).

Otomobil (EV Inverter PCB)
1Altyazı: Alüminyum çekirdek (MCPCB)
2Bakır folyo: 3 oz elektrolitik (50A akımları idare eder)
3. Solder maskesi: Yüksek Tg LPI (Tg 180°C)
4İpek ekranı: Epoksi bazlı (yağ/kimyasallara dayanıklı)
5Yüzey bitirme: ENEPIG (korrozyona dayanıklılık, siyah yastık yok)
6.Neden Çalışır: MCPCB IGBT ısısını dağıtır, 3 oz bakır yüksek akım taşır, ve ENEPIG kapağın altındaki koşullara dayanır.

Tıbbi (Pace Maker Kontrolör PCB)
1Substrat: Polyimide (eğimli, biyolojik uyumlu)
2Bakır folyo: 1 oz yuvarlanmış (esnek, düşük yüzey kabalığı)
3. Solder Mask: Esnek LPI (poliamid bazlı, biyolojik uyumlu)
4İpek kremi: Epoxy (vücut sıvılarına karşı dayanıklı)
5Yüzey bitirme: ENEPIG (sterilleşmeye dayanıklı, uzun raf ömrü)
6.Neden Çalışır: Polyimide vücut hareketleriyle bükülür, yuvarlanmış bakır çatlamadan kaçınır ve ENEPIG ISO 13485 standartlarını karşılar.

Havacılık (Uydu İletişim PCB)
1Substrat: PTFE (60GHz sinyalleri için düşük Dk)
2Bakır folyo: 2 oz yuvarlanmış (radiasyona dayanıklı)
3. Solder maskesi: Yüksek Tg LPI (Tg 180°C, radyasyona dayanıklı)
4. Silkscreen: Epoxy (vakum ve sıcaklık dalgalanmalarına karşı dayanıklı)
5Yüzeyi bitirme: ENIG (18 aylık raf ömrü)
6.Neden Çalışır: PTFE uzayda sinyal kaybını en aza indirir, yuvarlanmış bakır radyasyon hasarına direnir ve ENIG uzun süre depolamadan sonra solderability sağlar.

PCB malzemeleri hakkında sık sorulan sorular
S: Bir PCB'de farklı alt katman malzemelerini karıştırılabilir mi?
A: Evet, hibrit PCB'ler belirli ihtiyaçlar için malzemeleri birleştirir. Örneğin, bir 5G yönlendiricisi PCB, mmWave bölümü için Rogers'u (düşük Dk) ve geri kalanı için FR4'ü (maliyet tasarrufu) kullanabilir.Sadece malzemelerin benzer CTE (termal genişleme katsayısı) sahip olduğundan emin olun geri akış sırasında bükülmekten kaçının.

S: Sinyal izleri için 1 oz ve 2 oz bakır arasındaki fark nedir?
C: 1 oz bakır (35μm) çoğu sinyal için yeterlidir (≤10A, ≤1GHz), 2 oz (70μm) ise daha yüksek akımlar (10 ′′ 30A) veya daha düşük direnç için gereklidir (endüstriyel PCB'lerde uzun izler için kritik).2 oz bakır da ısı daha iyi dağıtır., 20A'da iz sıcaklıklarını 15°C düşürür.

S: Neden standart kaynak maskesinin rengi yeşil?
A: Yeşil mürekkep, uygun fiyatlı, UV'ye karşı istikrarlı ve bakırla yüksek kontrast sağlayan bir pigment (phthalocyanine yeşil) kullanır.Çizikler)Diğer renkler (siyah, beyaz) estetik veya işlevsel ancak daha pahalıdır.

S: ENEPIG, ENIG'e kıyasla fazladan maliyete değer mi?
A: Yüksek güvenilirlik uygulamaları için (tıp, havacılık), yes ENEPIG, “kara yastığı” (ENIG'de önemli bir arıza noktası) ortadan kaldıran ve tel bağının dayanıklılığını %30 oranında artıran bir palladium katmanı ekler.Tüketici elektronikleri için, ENIG genellikle yeterlidir.

S: Esnek PCB'ler FR4 substratını kullanabilir mi?
Cevap: No ′′FR4 katıdır ve büküldüğünde çatlar. Esnek PCB'ler, poliamid veya poliester substratları gerektirir, yuvarlanmış bakır folyo ile eşleştirilmiştir (bükülmeye dayanacak kadar esnek).

Sonuçlar
PCB malzemeleri birbirini değiştirebilir değildir. Her seçim (substrat, bakır, lehim maskesi, bitiş) performans, güvenilirlik ve maliyeti doğrudan etkiler.FR4 ve 1 oz bakır % 80 tüketici uygulamaları için çalışır, ama 5G, EV'ler ve tıbbi cihazlar Rogers, 2 oz+ bakır ve ENEPIG gibi özel malzemeler gerektiriyor.
Başarının anahtarı, malzemeleri başvurunuzun benzersiz ihtiyaçlarına uygun hale getirmektir:
a. Yüksek frekanslı tasarımlar için düşük Dk substratlarına öncelik verin.
Yüksek akım yolları için daha kalın bakır seçin.
c. Otomobil/endüstriyel ortamlar için yüksek sıcaklıklı malzemeler kullanın.
d. Uzun ömürlü veya güvenlik açısından kritik PCB'ler için premium bitirme (ENEPIG) yatırımları.
Bu kılavuzu takip ederek, malzeme uyumsuzluklarından kaynaklanan PCB arızalarının% 35'ini önleyecek ve performans hedeflerini karşılayan, bütçede kalan ve zamanın testine dayanan ürünler üreteceksiniz.Deneyimli bir mühendis ya da yeni bir girişim kurucusu olsanız, PCB malzemelerinin ustalığı, rekabeti aşan ve daha uzun süreli elektronikleri yaratmanın ilk adımıdır.