Выбор диэлектрического материала для печатной платы является критически важным этапом проектирования, определяющим механическую надёжность, электрические характеристики, тепловые режимы эксплуатации и стоимость конечного изделия. Решение должно базироваться на комплексном анализе функциональных задач устройства.
- Классификация материалов по ключевым задачам.
По механической прочности и термостойкости.
● Стандартные эпоксидные композиты (FR-4).
Наиболее распространённый и финансово экономичный материал на основе стеклоткани, пропитанной эпоксидной смолой с антипиреном. Обладает удовлетворительной механической прочностью. Температура стеклования (Tg) обычно составляет ~130-140°C. При эксплуатации выше Tg механические свойства (модуль упругости, твердость) резко ухудшаются. Эти материалы подходят для обычных печатных плат «бытовой» электроники.
● Материалы с повышенной Tg (FR-4 HighTg, FR-Htg170).
Модификация FR-4 со значениями Tg≥ 170°C. Используются в устройствах, подвергающихся многократным термоциклам (например, пайка оплавлением, эксплуатация в жаркой среде). Повышенная Tg обеспечивает большую прочность и стабильность геометрии при высоких температурах, снижая риски расслоения и деформации. Эти материалы подходят для специализированных печатных плат: силовые, блоки питания, высокочастотные и СВЧ печатные платы, цифровые печатные платы, радиочастотные печатные паты (приёмо/передающие устройства), печатные платы с высокой рассеиваемой мощностью (те же светодиодные сборки).
По диэлектрическим свойствам и стабильности.
● Стандартный FR-4.
Имеет нестабильную диэлектрическую проницаемость (ε) в высокочастотном диапазоне (значительно меняется с частотойсигнала) и высокий тангенс угла диэлектрических потерь (tanδ), что приводит к значительным потерям сигнала на частотах выше 1-2 ГГц. Опять-таки, этот материал подходит для печатных плат, использующихся в бытовых условиях, в закрытых помещениях с «комнатной» температурой.
● Специализированные материалы (ITEQ, Isola, Nelco).
Разработаны для обеспечения стабильности ε в широком частотном и температурном диапазонах и низкого tanδ. Критически важны дляпечатных плат с контролируемым импедансом и цифровых высокоскоростных устройств, где нестабильность ε вызывает отражения и искажения сигнала. За счет стабильной и низкой диэлектрической проницаемости эти материалы подойдут для печатных плат вычислительной техники.
● Высокочастотные материалы (Rogers, Arlon, Taconic, ФАФ)выполнены на основе керамики, PTFE (политетрафторэтилена) или термоотверждаемых углеводородных полимеров. Они обладают сверхнизким tanδ, чрезвычайно стабильной ε (2.2-10.5) и низким влагопоглощением. Идеально подходят для СВЧ-устройств, антенн, радарных систем (> 10 ГГц). У некоторых марок высокая теплопроводность также способствует теплоотводу.
По теплопроводности.
● Металлические основы (алюминий, медь).
Печатные платы на металлической основе (MetalCore PCB, MCPCB) имеют изолирующий диэлектрический слой с высокой теплопроводностью (1-3 Вт/м·К против 0.3 Вт/м·К у FR-4). Алюминий наиболее распространён из-за низкой стоимости и хорошей способности к рассеиванию тепла. Качества данного материала критичны для светодиодных светильников, силовых преобразователей, где требуется отвод тепла от мощных компонентов.
По гибкости и комбинированным свойствам.
● Полиимид (Kapton).
Основа для гибких (FPC) и гибко-жёстких (Rigid-Flex) печатных плат. Обладает исключительной гибкостью, высокой термостойкостью (Tg> 250°C, длительная рабочая температура до 200°C) и хорошими диэлектрическими свойствами. Выдерживает многократные перегибы. Применяется в носимой электронике, межблочных соединениях в сложных корпусах. Например, в смартфонах гибким шлейфом соединяется экран с основной печатной платой. Гибкие шлейфы применяются в любых миниатюрных устройствах.
2. Влияние геометрических параметров: толщина и размер.
● Толщина диэлектрика является ключевым параметром при расчёте волнового сопротивления (импеданса) линии передачи (микрополосковой, копланарной). Для высокочастотных печатных плат допуск на толщину диэлектрика должен быть строже (±5-10%).
● Толщина печатной платы (общая) влияет на механическую жёсткость, на изгиб, которая пропорциональна кубу толщины. Для несущих печатных плат, испытывающих вибрацию или механическую нагрузку, выбирают большую толщину (≥1.6 мм). Для компактных устройств – меньшую (0.8-1.0 мм).
● Гибкость определяется типом материала (полиимид) и толщиной меди. Чем тоньше медь и диэлектрик, тем выше гибкость и меньше минимальный радиус изгиба.
Толстыепечатныеплаты с толщиной более 1,5 мм применяются, например, в блоках питания, т.к. они являются одновременно и платой, и несущей конструкцией, на которую крепятся «тяжёлые» элементы – трансформаторы, радиаторы и т.д. Чем миниатюрнее изделие, тем более тонкие печатные платы используются. Для печатных плат «без изысков» (без потребности в изгибе, без повышенной плотности соединений и т.д.), стандартная толщина 1.0 -1.5 мм.
3. Корреляция параметров материала со стоимостью.
Стоимость печатной платы возрастает при использовании нестандартного материала и усложнения требований к обработке:
● Базовый уровень: FR-4 (стандартный) – минимальная стоимость благодаря массовому производству.
● Повышенные требования (термо/механика): FR-4 HighTg – удорожание на 15-30% из-за более дорогих смол.
● Высокоскоростные/высокочастотные приложения: ITEQ/специализированные ламинаты – удорожание в 2-5 раз относительно FR-4. Высокочастотные материалы (Rogers) – удорожание в 5-20+ раз из-за сложного химического состава иотносительно редкого использования в отечественном производстве.
● Теплоотвод: алюминиевые печатные платы – дороже FR-4 на 30-100% ( в зависимости от объема заказа) , но дешевле керамических решений.
● Гибкость/комплексность: полиимид – в 3-10 раз дороже FR-4. Жестко-гибкие конструкции – максимальная стоимость из-за сложности сборки (многослойная прессовка, гибкие переходы) и использования разных материалов.
Заключение:
Выбор материала для печатной платыпредставляет собой многофакторную инженерную задачу, требующую компромисса между электрическими характеристиками (ε, tanδ), термомеханической стабильностью (Tg, CTE), теплофизическими свойствами, геометрическими ограничениями (гибкость, толщина) и бюджетом проекта. Инженерный подход заключается в моделировании ключевых параметров (импеданс, тепловой режим) на ранних этапах проектирования с последующим выбором материала, удовлетворяющего всем критическим требованиям, чтобы избежать как недостаточности характеристик, так и неоправданного удорожания.
Больше о базовых материалах Вы можете узнать на нашем сайте.
Цены на изготовление в разделе прайс на нашем сайте.
Сайт ТГ ВК Дзен Youtube Rutube Хабр