همه چیز درباره جنس انواع PCB

شاید شما در برخورد با برد های الکترونیکی متوجه شده باشید، جنس انواع PCB می توانند با هم متفاوت باشند. پیش از هی چیز دیگری در تولید بردهای الکترونیکی، شما باید جنس مواد سازنده بردهای مدار چاپی را انتخاب کنید. در تولید PCB از مواد متنوعی برای ساخت این لایه بهره می برند که هر ماده ویژگی های مخصوص به خود را دارد. این مقاله شما در انتخاب درست جنس مناسب برای پروژه راهنمایی می کند و علاوه بر آن شما به شناخت کاملی از جنس انواع PCB خواهید رسید.

سر فصل مطالب

تمام خواص مهم عایق و بستر PCB

همان طور که از این عنوان این بخش مشخص است، تمام موادی که به عنوان مواد سازنده در برد مدار چاپی مورد استفاده قرار می گیرند باید عایق و کمترین میزان هدایت الکتریکی را داشته باشند. زیرا این لایه بین دو یا چند لایه هادی الکتریکی که مسیر های برد الکترونیکی روی آنها پیاده سازی شده اند قرار می گیرد. برای مثال می توان به FR-4 اشاره کرد که اکنون پرمصرف ترین ماده برای ساخت لایه عایق PCB به حساب می آید.

در اینجا می خواهیم به 4 ویژگی مهم مواد مورد استفاده در ساخت سابستریت PCB بپردازیم:

خواص حرارتی

خوب بیاید در مورد خواص حرارتی این مواد سازنده صحبت کنیم:

دمای تغییر حالت شیشه

به محدود دمایی گفته می شود که مواد صلب و شیشه ای سازنده PCB به حالت نرم در می آیند و می توانند تغییر شکل دهند. خواص مواد پس از سرد شدن دوباره به حالت اولیه خود برمی گردد. شما می توانید این محدوده دمایی را با عنوان Tg بیان کنید. و البته باید این محدوده دمایی را بر حسب درجه سانتی گراد اندازه گیری کرد.

دمای تجزیه

Td عبارت است که برای دمای تجزیه (Decomposition Temperature) استفاده می شود. این یک روش تجزیه شیمیایی است که در این فرآیند، ماده می تواند تا 5% از جرم خود را از دست بدهد. واحد اندازه گیری Td نیز درجه سانتی گراد است. در این پروسه، خواص برگشت پذیر نیستند، یعنی زمانی که مواد به محدوده دمایی تجزیه خود می رسند، تغییراتی در خواص آنها روی می دهد و این تغییرات برگشت پذیر نبوده و نمی توانند به حالت اولیه خود بر گردند. این مطلب در خلاف محدوده ی دمایی تغییر حالت شیشه (Glass Transition Temperature) است که برگشت پذیر می باشد.

شما باید موادی را به عنوان عایق انتخاب کنید که محدوده دمایی آنها کمتر از محدود Td و بالاتر از محدوده Tg این مواد باشد.  بنابراین چون محدوده دمایی می تواند بین 200 تا 250 درجه سانتی گراد باشد باید Td عددی بالاتر از این محدوده در نظر گرفته شود.

ضریب انبساط حرارتی

CTE (Coefficient of Thermal Expansion) سرعت انبساط مواد PCB را پس از گرم شدن نشان می دهد. این ضریب را معمولاً با واحد بخش بر میلیون یا ppm (Parts per Million) بیان می کنند. زمانی که دمای مواد افزایش می یابد و از دمای Tg عبور می کند، CTE نیز افزایش می باید. بیشتر مواد سازنده عایق PCB دارای CTE بالاتری از مس هستند و این مورد می تواند برای اتصالات داخلی مشکلاتی را به وجود بیاورد.

ضریب انبساط حرارتی در امتداد محور های X و Y نسبتاً پایین و در محدوده 10 تا 20 ppm بر درجه سانتی گراد است. دلیل این اتفاق وجود رشته های شیشه در هم بافته شده است. این بافت مانند مهاری در این دو محور عمل می کند و نتیجه آن این است که هنگامی که دما از Tg فراتر می رود تغییر چشم گیری در ضریب انبساط حرارتی پدید نمی آید.

به دلیل حضور بافت شیشه ای ماده نمی تواند در دو محور X و Y منبسط شود بنابراین انبساط بیشتری در محور Z صورت می گیرد و باید CTE این محور تا حد امکان پایین باشد. شما باید سعی کنید این ضریب را پایین تر از 70 ppm بر درجه سانتی گراد نگه دارید. ضریب انبساط حرارتی در این محور با عبور از دمای Tg افزایش خواهد یافت.

به کمک افزایش CTE در هنگام عبور از دما Tg شما می توانید این نقطه دمایی را برای جنس عایق PCB خود بیابید. برای این کار تنها لازم است نموداری از جابجایی یا انبساط بر حسب دما را بدست آورید.

رسانایی گرمایی

این خاصیت با هدایت گرما سرو کار دارد. شما می توانید مقدار و میزان هدایت حرارتی را استفاده از حرف k نمایش دهید. همانطور که بدهی است رسانایی گرمایی پایین نشان دهنده توانایی انتقال حرارتی کمتر و رسانایی گرمایی بالا، توانایی انتقال حرارتی بیشتر است. شما می توانید رسانایی گرمایی را با واحد توان بر متر-درجه سانتی گراد (W/M-ºC) اندازه گیری کنید.

بیشتر انواع جنس PCB از موادی هستند که رسانایی گرمایی آنها بین 0.3 تا 0.6 W/M-ºC می باشند. این رسانایی گرمایی در مقایسه با مس بسیار کمتر است. ضریب k برای مس چیزی در حدود 386 W/M-ºC می باشد. بنابراین لایه های مسی روی بردهای مدار چاپی حرارت بیشتری را نسبت به دی الکتریک یا عایق انتقال می دهند.

خواص الکتریکی

گذردهی نسبیِ ثابت دی الکتریک (Dk or Er)

در نظر گرفتن ثابت دی الکتریک موارد برای بررسی ملاحظات امپدانس و یکپارچگی سیگنال بسیار با اهمیت است. این دو ضریب جزو عوامل بسیار مهم در طراحی و عملکرد الکتریکی مدارات فرکانس بالا می باشند. محدوده Er در اکثر دی الکتریک های مورد استفاده در ساخت PCB، بین 2.5 تا 4 است.

گذردهی مقدار ثابت دی الکتریک به فرکانس بستگی دارد. هنگامی که فرکانس افزایش می یابد، مقدار آن کاهش پیدا خواهد کرد. به علاوه، این تغییر بیشتر به جنس دی الکتریک PCB بر می گردد. مناسب ترین ماده برای دی الکتریک در کاربردهای فرکانس بالا، ماده ای است که ثابت دی الکتریک آن در محدوده وسیعی از فرکانس یکسان باقی بماند.

ضریب اتلاف یا تانژانت اتلاف دی الکتریک (Df Tan δ)

تانژانت اتلاف مواد، در واقع ابزاری برای اندازه گیری میزان اتلاف توان به دلیل جنس ماده می باشد. اگر تانژانت اتلاف مواد پایین باشد در نتیجه آن اتلاف توان نیز پایین خواهد بود. مقدار تانژانت اتلاف برای اکثر PCB برد های الکترونیکی در محدوده 0.02 می باشد. علاوه بر این، مقدار Tan δ برای مواد تلفات پایین و مواد درجه یک می تواند در حدود 0.001 باشد. مقدار تانژانت اتلاف با افزایش فرکانس، افزایش می یابد.

اگر چه که این ضریب در مدارات دیجیتالی اهمیت زیادی ندارد، اما در کاربرد هایی که فرکانس کاری بالای 1 گیگا هرتز است، تاثیرگذار خواهد بود. به علاوه، تانژانت اتلاف برای جنس PCB های مدارات آنالوگ بسیار حیاتی است زیرا به یافتن درجه کاهش سیگنال کمک می کند.

حجم مقاومت ویژه

تولید کنندگان بردهای مدار چاپی بجای عبارت حجم مقاومت ویژه از عبارت مقاومت ویژه ی الکتریکی استفاده می کنند. این ویژگی به اندازه گیری میزان عایق گذاری یا مقاومت الکتریکی مواد کمک می کند. اگر مقاومت ویژه الکتریکی بالا باشد، حرکت بار الکتریکی کمتری در مدار وجود خواهد داشت. واحد مقاومت ویژه در سیستم اندازه گیری بین المللی، اهم-متر (Ω-m) می باشد.

عایق های دی الکتریک که در تولید PCB مورد استفاده قرار می گیرند، دارای مقاومت ویژه بسیار بالایی هستند. مقاومت ویژه آنها می تواند در محدود 10⁶  تا 10¹⁰  مگا اهم- سانتی متر باشد. عواملی که می توانند در میزان مقاومت ویژه تاثیر گذار باشند، رطوبت و دما هستند.

مقاومت ویژه سطحی – ρS

مقاومت ویژه سطحی یا ρS نشان دهنده میزان مقاومت الکتریکی در سطح مواد است. که البته متناظر با مقاومت ویژه برای عایق دی الکتریک، باید عدد بالایی باشد. محدوده این ضریب برای ماده عایق باید مشابه مقاومت ویژه و در محدود 10⁶ تا 10¹⁰ مگا اهم بر سانتی متر مربع باشد.

قدرت الکتریکی

این ویژگی به اندازه گیری توانایی مقاومت مواد سازنده بردهای مدار چاپی کمک می کند. در واقع یعنی این که در راستای محور Z، یک ماده چقدر مقاومت خواهد کرد تا به نقطه شکست الکتریکی خود برسد. واحد بین المللی این سیستم برای اندازه گیری قدرت الکتریکی ولت بر هزارم اینچ (Volts/mil) است. قدرت الکتریکی اکثر دی الکتریک های بکار رفته در انواع جنس PCB از 800 تا 1500 ولت بر هزارم اینچ است.

خواص شیمیایی

مشخصات اشتعال پذیری – UL94

UL94 یک استاندارد برای میزان اشتعال پذیری پلاستیک است که به کمک آن می توان مواد پلاستیکی را با کمترین مقدار بازدارندگی شعله تا بیشترین آن، طبقه بندی کرد. برای آزمایش تجهیزاتی که با پلاستیک ساخته می شوند یک استاندارد بسیار مفید می باشد. سازمان های غیر وابسته استاندارد ایمنی برای محصولات تجاری یا مصرفی (Underwriters Laboratories or UL) این استاندارد را مشخص کرده است.

جذب رطوبت

این ویژگی به قابلیت مقاومت مواد سازنده PCB در برابر آب بر می باشد. برای اینکه متوجه این موضوع شوید کافی است PCB ها را در معرض آب و رطوبت قرار دهید، سپس آنها را وزن گیری کنید و متوجه درصدی افزایش در وزن آنها خواهید شد که این مطلب به همان مقاومت در برابر آب یا میزان جذب رطوبت می باشد. این افزایش وزن را از راه های محتلف می توان اندازه گیری کرد. اکثر مواد قدرت جذب رطوبتی بین 0.01% تا 0.2% دارند.

جذب رطوبت در مواد به کار رفته در ساخت PCB می تواند بر سایر خواص آن ها تاثیر بگذارد. برای مثال ممکن است خواص الکتریکی یا حرارتی ماده را تحت تاثیر قرار دهد. علاوه بر این ها می تواند بر مقاومت الکتریکی هم اثر گذار باشد مخصوصاً در زمانی که مدار الکتریکی به تغذیه متصل باشد.

مقاومت در برابر متیلن کلراید

این بررسی برای اندازه گیری میزان مقاومت برد های مدار چاپی در برابر نفوذ مواد شیمیایی مخصوصاً متیلن کلراید می باشد. روش اندازه گیری برای این ویژگی نیز مشابه روش استفاده شده برای سنجش میزان جذب رطوبت است و اعداد آن مشابه محدوده ی به دست آمده برای آب، بین 0.01% تا 0.2% می باشد.

خواص مکانیکی

مقاومت در برابر لایه برداری

نشان دهنده استحکام پیوند بین دی الکتریک و لایه مس است. برای بیان این ویژگی از واحد پوند نیرو بر اینچ به صورت خطی یا PLI (Pounds of force per Linear Inch) استفاده می کنند. آزمون مقاومت در برابر لایه برداری به ضخامت لایه برد PCB بستگی دارد. برای مثال شما برای آزمایش به برد مدار چاپی نیازی دارید که پس از اتمام فرآیند تولید، لایه مسی روی آن به ضخامت 1OZ و با عرض بین 32 تا 124 میلیمتر باشد. شما می توانید این آزمون را تحت سه حالت زیر انجام دهید:

1. تنش حرارتی: پس از شناور کردن نمونه بر روی قلع لحیم کاری در دمای 288 درجه سانتی گراد به مدت 10 ثانیه.
2. دمای بالا: پس از قرار دادن نمونه در معرض سیال یا هوای داغ (Hot Air) با دمای 125 درجه سانتی گراد.
3. قرار گرفتن در معرض مواد شیمیایی فرآیند: پس از قرار دادن نمونه در معرض یک سری از مواد شیمیایی و فرآیندهای حرارتی

استحکام خمشی

توانایی یک ماده برای تحمل تنش مکانیکی بدون شکستگی را نمایش می دهد. این خاصیت را می توان با واحد کیلوگرم بر متر مربع (Kg/m²) یا پوند بر اینچ مربع (Pound/Inch²) بیان نمود.

مکانیزم تست استحکام خمشی بسیار ساده است، کافی است شما لبه های یک برد مدار چاپی را نگه دارید و در وسط آن بار یا وزنه قرار دهید. استاندارد برای استحکام خمشی برد های صلب و چند لایه، IPC-4101 می باشد.

ماژول یانگ

ماژول یانگ یا ضریب کشسانی نشان دهنده استحکام مواد به کار رفته در ساخت PCB است. این ضریب یا ماژول نسبت تنش و کرنش را درجهت مشخص اندازه گیری می کند. برخی از تولیدکنندگان برای سنجش قدرت محصولات خود از این ماژول به جای استحکام خمشی استفاده می کنند. این کمیت را بر حسب نیرو بر واحد سطح بیان می نمایند.

چگالی یا دانسیته

چگالی یک کمیت عمومی است و به عنوان یک ویژگی مکانیکی در اکثر موقعیت ها مورد بررسی قرار می گیرد و در اندازه گیری چگالی PCB ها معمولا از واحد گرم بر سانتی مربع (g/cm²) یا پوند بر اینچ مربع (Pound/inch²) استفاده می کنند.

مدت زمان تا لایه لایه شدن

این عامل نشان دهنده مدت زمان مقاومت برد مدار چاپی در برابر لایه لایه شدن است. این اتفاق می تواند در اثر شک حرارتی، رطوبت، یا Tg اشتباه در مواد صورت پذیرد. همچنین نقص در لمینت یا لمینت ضعیف نیز می تواند علت این اتفاق باشد.

سابستریت چیست ؟ آیا در نوع جنس PCB موثر است ؟

همون طور که می دانید یک PCB از چندین لایه مختلف ساخته می شود. این لایه ها می تواند شامل، چندین لایه مس، لایه محافظ و لایه مارکاژ باشد. سابستریت (Substrate) در واقع همان بستر اصلی PCB است، که سایر لایه ها روی آن لمینت یا به روش های دیگر نصب می گردد. سابستریت در برخی از انواع برد مدار چاپی، در واقع همان لایه عایق یا دی الکتریک نیز هست.

---

در بین انواع جنس PCB، کدام یک مناسب برد الکترونیکی شماست ؟

هم اکنون در بازار انواع مختلفی از جنس سابستریتِ PCB وجود دارد. که می توانند از لحاظ ضخامت و استحکام نیز متفاوت باشند. بنابراین پیدا کردن بهترین انتخاب برای بردهای مدار چاپی خود، کار چالش برانگیزی خواهد بود. همچنین انتخاب یک سابستریت مناسب بدون دانش کافی می تواند باعث درد سر شود.

با توجه به مطلب قبل در حالت عادی، انتخاب سابستریت کار سختی است ولی در بخش های قبل شما تمام دانش مربوط به این موضوع را آموختید و اکنون یافتن جنس مناسب برای سابستریت PCB کار سختی نخواهد بود. برای انتخاب کافی است موارد زیر را مد نظر قرار بدید:

• خواص حرارتی
• خواص الکتریکی
• خواص شیمیایی
• خواص مکانیکی

اگر با این ویژگی ها آشنا هستید، می توانید یک بستر باکیفیت و بهینه برای برد های الکترونیکی خود انتخاب کنید. در کنار همه این مطالب شرکت مرصا در کنار شما قرار دارد و می توانید در تمام طراحی های الکترونیکی خود روی ما حساب کنید. ما مشتاقانه ارائه خدمات به شما عزیزان هستیم، برای ثبت هر گونه سفارش طراحی الکترونیک روی دکمه زیر کلیک کنید.

وظایف یک PCB به عنوان پایه برد های الکترونیکی چیست ؟

خوب شاید همه انتظاری که ما از یک برد مدار چاپی داریم این باشد که مسیر های هدایتی مناسب بین قطعات را فراهم کند و از طرف دیگر به خوبی بین لایه ها و مسیر ها عایق گذاری نماید. ولی همانطور که در بخش های قبل به آن پرداخته شد این دو وظیفه ساده موارد پیچیده ای در دل خود دارند برای مثال مسیر بین دو قطعه می تواند حامل امواج رادیویی و مایکروویو باشد، یا PCB در برابر شوک حرارتی قرار گیرد و یا از لحاظ الکتریکی و مکانیکی به چالش کشیده شود. همه این موارد می تواند منجر به موفقیت یا شکست شما در یک پروژه گردد. برای همین نوع و جنس PCB در موفقیت شما دخیل است و شما باید برای انتخاب شناخت کافی داشته باشید.

انواع PCB از لحاظ جنس و ساختار

PCB ها از نظر انعطاف پذیری جنس مواد سازنده آن به دو دسته کلی تقسیم می شوند:

1. سخت (Rigid): ساخته شده از مواد صلب
2. نرم (Flex): ساخته شده از مواد انعطاف پذیر

PCB سخت، ساخته شده از مواد صلب

سابستریت یا بستر این بردهای مدار چاپی از مواد سخت و محکم ساخته شده است و همین علت مانع از خم شدن برد می گردد. برای مثال برد اصلی کامپیوتر را مد نظر قرار دهید، شاید یکی از موارد مصرف متداول برای PCB های سخت باشد.

مادر برد کامپیوتر یک PCB چند لایه است . به نوعی طراحی شده است که نیرو الکتریکی را از تغذیه گرفته و به سایر قطعات برساند. در همین زمان ارتباط بین قطعات کامپیوتر مانند کارت گرافیک، پردازنده اصلی و کارت حافظه امکان پذیر نماید. مواد سخت و صلب زمانی مورد استفاده قرار می گیرند که PCB قرار است در طول عمر خود شکل خود به صورتی که برای آن در نظر گرفته شده است را حفظ کند.

بردهای مدار چاپی سخت عموماً بر پایه سرامیک هستند، برخی از مزایای آن ها شامل موارد زیر است:

• هدایت حرارتی بالا، 170 W/mK
• دی الکتریک قوی
• دمای عملیاتی بالا > 350 درجه سانتی گراد
• ضریب انبساط حرارتی کم < 4 ppm/ºC
• امکان پذیر بودن بسته بندی هرمتیک، 0% جذب آب

برخی از محبوب ترین PCB ها با پایه سرامیک :

آلومینیوم یا آلومینا – Aluminum, or alumina (Al2O3)

رایج ترین نوع PCB های سرامیکی، دی الکتریک حرارتی قوی با ضریب انبساط پایین. عملکرد فوق العاده در فرکانس های بالا و دمای کاری تا 350 درجه سانتی گراد.

موارد استفاده:

• کابردهای سرمایشی و گرمایشی
• تابلو و لامپ های LED
• تجهیزات پزشکی
• سنسور ماژول ها
• دستگاه های فرکانس بالا

نیترید آلومینیوم – Aluminum nitride (AIN)

راسانایی گرمایی بالا، استحکام حرارتی بالا با ضریب انبساط حرارتی پایین و استفاده گسترده به عنوان سابستریت.

موارد استفاده:

• روشنایی LED توان بالا
• مدارات مجتمع
• سنسورها
• سیستم تلویزیون های کابلی

اکسید بریلیم – Beryllium oxide (BeO)

این ماده در هنگام ماشین کاری به شدت سمی است، بخاطر رسانایی گرمایی بالا و ضریب انبساط حرارتی پایین مورد استفاده قرار می گیرد.

موارد استفاده:

• فر های مایکروویو صنعتی پر قدرت
• آی سی ها آمپلی فایر ولتاژ بالا

PCB نرم، ساخته شده از مواد انعطاف پذیر

برای اینکه یک PCB بتواند نرم و منعطف باشد، باید جنس مواد سازنده PCB از انعطاف پذیر خوبی برخوردار باشد. برای این منظور به طور کلی از پلاستیک بهره می برند. مانند PCB های سخت، PCB های نرم نیز می توانند یک لایه، دو لایه و چند لایه تولید شوند. این PCB ها می توانند روی لبه ها خم شوند و گوشه ها را در بر گیرند.

مواد انعطاف پذیر و افزایش پوشیدنی ها

با توسعه مواد انعطاف پذیر برای ساخت PCB، تولید تجهیزات پوشیدنی مقدور شد و مورد توجه خیلی از افراد قرار گرفت. این برد های مدار چاپی اجازه ساخت برد های الکترونیکی در فضاهای فشرده فراهم می کنند و می توانند باعث صرفه جویی در زمان و هزینه محصول نهایی شوند ولی خود ها هزینه تولید بیشتری دارند.

یکی از مزایای PCB های نرم این است که می تواند در فضاهایی که خطرات محیطی  وجود دارند به کار گرفته شوند. به طور مثال، PCB های انعطاف پذیر می توانند ضد آب، ضد ضربه و یا مقاومت در برابر خوردگی باشند. ولی هیچ یک از این ویژگی ها را نمی تواند یک برد مدار چاپی سخت ارائه دهد.

مواد سازنده نرم مانند اپوکسی یا پلاستیک می توانند به صورت پوششی در اطراف یک ماده دیگر که به آن پرکننده (Filler) می گویند قرار گیرند. معمولا برای پرکننده از رشته های شیشه به هم بافته شده بهره می برند. این ساختار و شکل از شیشه، یا پرکننده از جنس سرامیک، استحکام و مقاومت مواد پلاستیکی دی الکتریک را بالا می برد. در ادامه سه نوع از سابستریت های ساخته شده از مواد نرم را معرفی می کنیم:

پلی تترا فلوئورواتیلن – Polytetrafluoroethylene (PTFE)

شناخته شده ترین نام تجاری مبتنی بر PTFE تفلون است. این ماده پایداری دمایی خوب و ضریب اتلاف پایینی را ارائه می دهد.

موارد استفاده:

• آنتن ها
• تقویت کننده های قدرت
• سیستم کروز کنترل خودرو
• تله متری سیستم های هوافضا

پلی آمید – Polyimide

خواص الکتریکی خوب، طیف گستره دمایی و مقاومت شیمیایی بالا.

موارد استفاده:

• پنل تجهیزات و ابزارها
• کنترل کننده در فضاهای بسته
• دوربین ها
• وسایل سرگرم کننده شخصی
• ماشین حساب ها

پلی اتر اتر کتون – polyether ether ketone (PEEK)

نقطه ذوب بالا و مقاوم در برابر مواد شیمیایی، تشعشع و دماهای بسیار بالا

موارد استفاده:

• دستگاه های اشعه ایکس
• دستگاه های اشعه گاما (کاربردهای پزشکی)
• سیستم های الکترونیکی در هواپیما و صنایع هوایی

یکی از ویژگی های مطلوب در PCB های نرم، سهولت در ماشین کاری است. برد های مدار چاپی انعطاف پذیر بر پایه PTFE مانند RO3000 و RO4000 بسیار محبوب هستند چرا که ماشین کاری آن ها بسیار آسان است و در فرکانس های مایکروویو تلفات دی الکتریک کمی دارند.

RO3000

موارد استفاده:

• رادار خودرو
• سیستم های مخابراتی سلولار
• کنتور خوان از راه دور
• ماهواره های پخش مستقیم

RO4000

ضریب انبساط حرارتی دی الکتریک پایین برای به حداقل رساندن تغییرات فاز، ضریب انبساط حرارتی بسیار نزدیک به مسی در راستای محور Z.

موارد استفاده:

• برچسب های RFID
• رادار و حسگرهای خودرویی
• آنتن پایگاه های شبکه های سلولار و تقویت کننده های قدرت

PCB های سخت – انعطاف پذیر (Flex-rigid)

علاوه بر دو مورد قبل هنوز یک گزینه سومی برای جنس سابستریت PCB باقی مانده است و آن هم ترکیب دو نوع قبل است. PCB های سخت – انعطاف پذیر، شامل یک PCB نرم چند لایه، مانند پلی آمید، متصل به یک برد مدار چاپی سخت می باشند. و اغلب در کاربرد های هوافضا، پزشکی و نظامی به کار گرفته می شوند.

FR-4: محبوبترین جنس PCB

جنس انواع PCB با هم متفاوت است ولی قطعاً با یک نوع آن برخورد داشتید و آن FR-4 است. در حال حاضر FR-4 محبوبترین جنس برای سابستریت PCB در بازار می باشد. در واقع FR-4 رشته های شیشه یا فایبرگلاس است که با رزین اپوکسی مقاوم در برابر شعله، لمینت شده است. FR-4 نام یک ماده یا متریال نیست در واقع یک درجه از طراحی و ساخت است که توسط NEMA (National Electrical Manufacturers Association) تعیین شده است. دو حرف اول FR به معنای بازدارنده شعله (Flame Retardant) است و نشان دهنده این مطلب است که این ماده با استاندارد UL94VO مطابقت دارد.

چه چیزی در مورد FR-4 اینقدر عالی است؟

FR-4 که با نام FR4 نیز شناخته می شود، کم هزینه و ارزان است و برای اکثر کاربردها مناسب و قابل استفاده است. FR4 با لیمنت کردن فایبرگلاس های آغشته شده به رزین اپوکسی با فشار بالا تهیه می شود. نسبت قدرت به وزن خوبی دارد و جذب رطوبت آن نزدیک به صفر است.

FR4 یک عایق الکتریکی است که قدرت مکانیکی مکانیکی قابل توجهی دارد. علاوه بر این می تواند این قدرت مکانیکی خوب و مقاومت الکتریکی بالای خود را در شرایط خشک و مرطوب نیز حفظ کند. ترکیب فایبرگلاس و رزین اپوکسی نوید دهنده یک استاندارد صنعتی همراه با سهولت در ماشین کاری، سوراخ کاری و متالیزاسیون است. هزینه پایین در تولید و عملکرد خوب در طیف فرکانسی RF و مایکروویو را نیز می توانید به موارد قبل اضافه کنید.

این ویژگی های عالی در جنس و پروسه تولید باعث محبوبیت این ماده به عنوان سابستریت PCB گردیده است. اگر بخواهیم به صورت مختصر این ویژگی ها را لیست کنیم :

• عایق الکتریکی با دی الکتریک قوی
• نسبت بالای قدرت به وزن
• سبک وزن
• مقاوم در برابر رطوبت
• مقاومت نسبی در برابر دما

با توجه به موارد بالا می توان انتظار داشت که در اکثر شرایط محیطی عملکرد خوبی داشته باشد.

چه چیزی در مورد FR-4 خوب نیست؟

با تمام موارد ذکر شده در باب خوب بودن این متریال به عنوان جنس برای ساخت PCB ، تنها یک مشکل قابل توجه وجود دارد که باید در طراحی و سفارش PCB آن را در نظر گرفت.

مشکل: تلفات بالای دی الکتریک (ضریب اتلاف بالا) در فرکانس مایکروویو

این یک مورد باعث شده که این جنس PCB، در مدارات دیجیتالی سرعت بالا و کاربردهای آنالوگ که فرکانس کاری آن ها بالای چند گیگا هرتز است، عملکرد ضعیفی از خود نشان دهد. این موضوع سبب می شود که برای این کاربردها FR-4 گزینه نامناسبی باشد.

بررسی دقیق تر FR-4

خود متریال FR-4 بسته به ویژگی  ها و کاربردهای آن به چهار زیر گروه تقسیم می شود:

1. استاندارد، با دمای تغییر حالت شیشه(Tg) در حدود 130 درجه سانتی گراد. با یا بدون UV Blocking. این زیر گروه رایج ترین و پرکابردترین نوع و همچنین مقرون به صرفه ترین نوع FR-4 می باشد.
2. با دمای Tg بالاتر، در حدود 170 تا 180 درجه سانتی گراد. سازگار با تکنولوژی Reflow بدون سرب.
3. نوع بدون هالوژن و سازگار با تکنولوژی Reflow بدون سرب.
4. نرمالایز شده با شاخص CTI ≥ 400 و CTI ≥ 600.

FR-1، FR-2 و FR-3

این سری از سابستریت ها به طور معمول برای PCB های یک رو مورد استفاده قرار می گیرد و با نام فیبر استخوانی در بازار شناخته می شوند. قبل از FR4 ، دو نوع FR1 و FR2 محبوبیت قابل توجهی داشتند.

FR1 یک سابستریت از جنس لایه های کاغذ است که با رزین به هم لمینت شده اند و به همین خاطر مطابق استاندارد محیط زیست ROHS است که بازدارندگی شعله مناسبی هم دارد. این فیبر استخوانی به طور گسترده برای ساخت منابع تغذیه، صفحه کلید ها، ماشین حساب ها و غیره به کار برده می شود. FR1 پروسه پردازش، تولید آسانی دارد به همین خاطر جزو گزینه های محبوب در بازار است.

FR2 بسیار مشابه FR1 است اما Tg آن 105 درجه سانتی گراد و پایین تر از FR1 با Tg 130 درجه سانتی گراد است. هزینه تولید و پردازش و کاربرد این دو فیبر استخوانی یکسان است، ولی تفاوت در دمای Tg  باعث می شود که کارخانه های تولید کننده FR1 دلیلی برای تولید FR2 نداشته باشند.

FR3 هم شباهت زیادی به FR2 داشته باشد با این تفاوت که بجای استفاده از فنولیک رزین (Phenolic resin) از رزین اپوکسی استفاده می کند.

همانطور که گفته شد این نوع از سابستریت ها را در بازار ایران با نام فیبر استخوانی می شناسند و شاید تفاوتی نیز بین مدل های مختلف آن قائل نشوند. با توجه به شرایط کنونی بازار در طراحی برد های الکترونیکی یک رو خود می توانید این جنس PCB را در لیست گزینه های خود قرار دهید.

به طور خلاصه:

• FR-1: با Tg 130°C
• FR-2: با Tg 105°C
• FR-3: با Tg 105°C، استفاده از رزین اپکسی به جای فنولیک رزین
• FR-4: با Tg 130°C، استفاده از بافت فایبرگلاس و رزین اپکسی

CEM-1: جایگزین ارزان تری برای FR-4

FR-4 در حال حاضر بسیار ارزان و مقرون به صرفه است، اما تولید CEM-1 هزینه پایین تری دارد. CEM مخفف Composite Epoxy Material است و مانند FR-4 یک طبقه بندی ارائه شده توسط NMEA می باشد. CEM-1 از کاغذ، دو لایه فایبرگلاس، اپکسی و ترکیبات فنلی ساخته می شود.

بزرگترین چالش در مورد CEM-1 این است که ترکیبات آن با فرآیند متالیزاسیون در سوراخ ها سازگار نیستند، از همین رو نمی توان PCB دو یا چند لایه با آن تولید کرد و تنها برای برد های الکترونیکی یکرو قابل استفاده هستند. خواص دی الکتریک آن مشابه FR-4 است، اما استقامت مکانیکی آن چندان خوب نیست و درجه اشتعال پذیری آن مطابق UL94-V0 می باشد.

CEM-3: بسیار مشابه FR-4

CEM-3 مشابه CEM-1 ولی می تواند با آن PCB های دو رو یا دو لایه تولید کرد و در مقایسه با FR-4 ارزان تر می باشد ولی هنوز هم نمی تواند جای FR-4 را بطور کامل بگیرد، زیرا تولید برد مدار چاپی چند لایه با این سابستریت همراه با ریسک جدا شدن لایه ها از یکدیگر می باشد. احتمال بروز این اتفاق به دلیل این است که در ساخت CEM-3 از فایبرگلاس ساده استفاده می شود در صورتی که در FR-4 فایبرگلاس به هم بافته شده بکار می رود.

ورق های CEM-3 بسته به ویژگی و کاربرد به زیر گروه های زیر تقسیم می شود:

1. استاندارد، با یا بدون UV Blocking.
2. سازگار با تکنولوژی Reflow بدون سرب.
3. غیر سمی، بدون هالوژن، فسفر و آنتیمون
4. نرمالایز شده با شاخص CTI ≥ 600.

سایر خانواده CEM

CEM-2: هسته از جنس کاغذ سلولزی و سطح از جنس فایبرگلاس بافته شده.

CEM-4: کاملاً شبیه به CME-3 اما بدون توانایی بازدارندگی شعله.

CEM-5: که CRM-5 نیز نامیده می شود، با هسته از جنس فایبرگلاس بافته شده و پلی استر.

کلام آخر

همان طور که ملاحظه کردید مطالب حول انتخاب جنس مناسب برای PCB و سابستریت آن بسیار زیاد و پیچیده است. جمع آوری اطلاعات کامل در این مورد نیازمند صرف وقت و زمان است. نکته دیگری که شاید به سختی این مطلب می افزاید، تجربه کار با این مواد متنوع است که شاید در مطالب تئوری به خوبی دیده نشود. باز هم جای هیچ گونه نگرانی نیست چرا که ما در مرصا با کمال میل این تجربه و دانش را با شما به اشتراک می گذاریم. برای این مطلب شما می توانید با همکاران ما در شرکت مرصا تماس حاصل بفرمایید تا شما را در روند اجرا پروژه هایتان، راهنمایی کنند.

اگر قبلاً اطلاعات خود را در این زمینه کامل کرده اید و یا تجربه کار با متریال انتخابی خود را دارید، به راحتی می توانید از طریق زیر به طور مستقیم سفارشات PCB خود را ثبت نمایید.

منابع:

 

https://www.mokotechnology.com/pcb-substrate/
https://www.essentracomponents.com/en-gb/news/guides/your-pcb-substrate-a-guide-to-materials
https://en.wikipedia.org/wiki/FR-4