Så avgör råmaterialet mönsterkortets egenskaper

Förståelse för de olika råmaterial som används vid tillverkning av mönsterkort är avgörande för att optimera prestanda, tillförlitlighet och kostnadseffektivitet hos elektroniska apparater. Varje enskilt mönsterkort har applikationsspecifika krav för sin arbetsmiljö, och därför är det viktigt att veta vilket råmaterial som har rätt egenskaper. ICAPE Group har producerat och tillverkat tryckta kretskort sedan 1999. I en artikel ger bolaget en inblick i viktiga materialfrågor som man möter i branschen. 

Substrat och kopparlager

PCB-råmaterial består av organiska och icke-organiska substrat och ledande kopparlager. Organiska substrat består i sin tur av papperskärnor impregnerade med fenolhartser, eller lager av vävda eller ovävda glasfiberdukar impregnerade med epoxi-, polyimid-, cyanatester- eller BT-hartser. Icke-organiska substrat inkluderar keramik, aluminium och koppar-invar-koppar.

Valet av organiskt material beror på de fysiska egenskaper som krävs för mönsterkortsapplikationen, exempelvis driftstemperatur, frekvens eller mekanisk hållfasthet. Användningen av oorganiska material styrs främst av behovet av effektiv värmeavledning.

Typer av PCB-råmaterial

Substraten utgör den bas som kopparn är bunden till. Denna struktur ger stöd åt komponenterna. Vanliga substratmaterial är FR-4, CEM-1, CEM-3, keramiskt fyllda kolväten, PTFE, modifierade epoxihartser, BT (bismaleimidtriazin), aluminium, keramik och flexibla material.

Ledande material används för att skapa ledningsbanor, pads och vior på mönsterkortets yta. Koppar är det mest använda ledande materialet på grund av dess utmärkta elektriska ledningsförmåga och överkomliga pris. Andra ledande material är silver och guld för keramiska mönsterkort.

För högfrekventa tillämpningar erbjuder specialiserade material som modifierade epoxihartser eller keramiskt fyllda kolväten överlägsen elektrisk prestanda, låg dielektrisk förlust och termisk stabilitet.

När det gäller RF/mikrovågsapplikationer kan keramiskt fyllda kolväten och keramiskt fyllda PTFE uppfylla de nödvändiga prestandakraven.

I tillämpningar som kräver effektiv värmeavledning föredras IMS (isolerat metallsubstrat) som aluminiumbaserade substrat på grund av deras utmärkta värmeledningsförmåga. Keramiska mönsterkort används också för tillämpningar med höga temperaturer där värmehanteringen är kritisk.

Flexibla mönsterkortsmaterial, t.ex. polyimid, passar perfekt för tillämpningar som kräver flexibilitet och där det finns snålt med utrymme, t.ex. bärbara enheter och medicinska implantat.

För mönsterkort är valet av material beroende av faktorer som krav på tillämpning, kostnad och prestandaspecifikationer. Här följer en överblick över de vanligaste typerna av PCB-material:

FR-4

FR-4 är det mest använda materialet för mönsterkort och lämpar sig för ett brett spektrum av användningsområden, exempelvis konsumentelektronik, fordonselektronik, industriella kontroller, militär, och medicinsk utrustning.

Fördelar:

• Utmärkt elektrisk isoleringsförmåga
• God mekanisk hållfasthet och dimensionsstabilitet
• Prisvärd
• Lätt att få tag på

Nackdelar:

• Begränsad termisk ledningsförmåga
• Inte lämplig för stansning

CEM-1

Detta material används ofta i billig konsumentelektronik och hushållsapparater.

Fördelar:

• Låg kostnad
• Goda stansegenskaper

Nackdelar:

• Ej lämplig för dubbelsidiga mönsterkort med pläterade hål

CEM-3

CEM-3 används ofta i konsumentelektronik och hushållsapparater. Det kan ses som ett lågkostnadsalternativ till FR4, där kraven på prestanda är lägre.

Fördelen jämfört med CEM-1 är att hålen kan pläteras igenom. Materialet är också lämpligt för stansning.

Nackdelar:

• Inte lika lättillgänglig som FR4

FR-4 med modifierade epoxihartssystem

Dessa material används ofta i högprestandaapplikationer som HDI-konstruktioner (High Density Interconnect), inom flyg- och rymdindustrin samt inom telekommunikation.

Fördelar:

• Bra elektrisk prestanda vid högre frekvenser
• Lägre dielektriska förlustvärden jämfört med konventionell FR4
• Förbättrad termisk stabilitet jämfört med FR4

Nackdelar:

• Högre kostnad jämfört med standard FR-4

IMS-mönsterkort

IMS-kretskort (isolerade metallsubstrat) som aluminiumbaserade kretskort används i applikationer som kräver effektiv värmeavledning, exempelvis LED-belysning, nätaggregat och fordonselektronik.

Fördelar:

• Utmärkt termisk ledningsförmåga
• Låg vikt
• God dimensionsstabilitet
• Relativt lågt pris

Nackdelar:

• Svårt att bearbeta
• Komplicerat att tillverka mer än ett lager 

Flexibla mönsterkort (Flex PCB)

Flex PCB används i applikationer som kräver flexibilitet eller där det råder brist på utrymme, t.ex. bärbara enheter, medicintekniska produkter och fordonselektronik.

Fördelar:

• Flexibel och böjlig
• Minskad storlek och vikt
• Flex i kombination med styva mönsterkort ger mer tillförlitliga förbindelser mellan korten jämfört med kablage av styva kretskort

Nackdelar:

• Högre kostnad jämfört med styva mönsterkort
• Begränsad mekanisk hållfasthet jämfört med styva kretskort

Keramiska mönsterkort

Keramiska mönsterkort används i applikationer med höga temperaturer och hög effekt, t.ex. kraftelektronik, LED-paket och sensorer.

Fördelar:

• Utmärkt termisk ledningsförmåga
• Beständighet mot höga temperaturer
• Utmärkt dimensionsstabilitet

Nackdelar:

• Högre kostnad jämfört med standard FR-4
• Något bräcklig och kan kräva varsam hantering vid montering
• Endast ett fåtal leverantörer kan tillverka flera keramiska lager på grund av processen och de extrema temperaturkraven
• Svårt att bearbeta

Keramiskt fyllda kolväten/PTFE

Dessa material används ofta i högfrekventa och högpresterande applikationer som RF/mikrovågskretsar, flyg- och rymdindustrin samt telekommunikation.

Fördelar:

• Utmärkt elektrisk prestanda vid höga frekvenser
• Låg dielektrisk förlust
• God termisk stabilitet

Nackdelar:

• Högre kostnad jämfört med standard FR-4
• Begränsad tillgång till specifika formuleringar

Olika mönsterkort kräver olika råmaterial 

Råmaterial för mönsterkort, som omfattar substrat och ledande material, är de grundläggande komponenter som används vid tillverkningen av mönsterkort.

Vanliga substratmaterial är bland annat FR-4, CEM-1, CEM-3, keramiskt fyllda kolväten, PTFE, modifierade epoxier, aluminium, keramik och flexibla material. Varje substrat har unika egenskaper som passar för olika användningsområden.

Koppar är det mest använda ledande materialet på grund av dess utmärkta elektriska ledningsförmåga och relativt låga pris. Andra alternativ är silver och guld för keramiska mönsterkort.

Fördelarna med att använda keramiskt fyllda kolväten eller keramiskt fyllda PTFE-material vid tillverkning av mönsterkort är deras elektriska prestanda, låga dielektriska förlust och termiska stabilitet, vilket gör att de passar utmärkt för mikrovågs- och millimetervågsfrekvenser samt RF-applikationer.

Aluminiumbaserade mönsterkort har utmärkt värmeledningsförmåga, vilket gör dem särskilt lämpliga för applikationer som kräver effektiv värmeavledning, t.ex. LED-belysning och kraftelektronik.

Flexibla mönsterkortsmaterial, t.ex. polyimid, ger flexibilitet, minskad storlek och vikt, vilket gör att de passar utmärkt för bärbara enheter, medicinska implantat och fordonselektronik.

Keramiska mönsterkort har utmärkt värmeledningsförmåga, hög temperaturbeständighet och dimensionsstabilitet, vilket gör dem lämpliga för applikationer med hög temperatur och hög effekt, t.ex. kraftelektronik och LED-paket. 

Faktorer att ta hänsyn till är bland annat elektrisk prestanda, krav på termisk hantering, mekanisk hållfasthet, kostnad och miljöpåverkan.