Welke materialen worden gebruikt om printplaten te maken

Gedrukte schakelingen (PCB's) vormen de ruggengraat van de moderne elektronica en bieden een platform voor het verbinden en ondersteunen van verschillende componenten. Deze onbezongen helden zijn te vinden in bijna elk elektronisch apparaat dat we dagelijks gebruiken, van smartphones en computers tot medische apparatuur en autosystemen. Maar heb je je ooit afgevraagd welke materialen er worden gebruikt om deze essentiële componenten te maken?

In dit artikel duiken we diep in de wereld van PCB-materialen en onderzoeken we de belangrijkste componenten waaruit deze ingewikkelde boards bestaan en hoe hun eigenschappen de prestaties en betrouwbaarheid van elektronische apparaten beïnvloeden.

Inleiding tot PCB-materialen

Een printed circuit board is een platte, stijve structuur die elektrische circuits bevat die bestaan uit ingebedde metalen oppervlakken die sporen worden genoemd en grotere metalen gebieden die vlakken worden genoemd. Componenten worden op het bord gesoldeerd op metalen pads, die zijn verbonden met de bordcircuits, waardoor ze met elkaar kunnen worden verbonden. Een PCB kan bestaan uit één, twee of meerdere lagen circuits.

PCB's zijn gebouwd met een diëlektrisch kernmateriaal dat slechte elektrische geleidingseigenschappen heeft om een zuivere circuitoverdracht te garanderen. Deze kern is naar behoefte afgewisseld met extra lagen metaal en diëlektricum. Het standaard diëlektrische materiaal dat voor printplaten wordt gebruikt, is een vlamvertragend composiet van geweven glasvezeldoek en epoxyhars, bekend als FR-4, terwijl de metalen sporen en vlakken voor de circuits meestal zijn samengesteld uit koper.

De belangrijkste componenten van een PCB zijn:

• Substraat: Biedt mechanische ondersteuning en elektrische isolatie
• Geleidende laag: Meestal koper, vormt de circuitpaden
• Soldeermasker: Beschermende laag die isoleert en soldeerbruggen voorkomt
• Zeefdruk: Voegt tekst en symbolen toe voor identificatie

De materiaalkeuze voor elk van deze componenten beïnvloedt de prestaties, duurzaamheid en kosten van de PCB. Het begrijpen van de eigenschappen en kenmerken van deze materialen is cruciaal voor het ontwerpen en produceren van betrouwbare en efficiënte elektronische apparaten.

Substraatmaterialen

Het substraat is de basis van een PCB en biedt mechanische ondersteuning en elektrische isolatie voor de geleidende lagen. Het is typisch gemaakt van een diëlektrisch materiaal, dat slechte elektrische geleidingseigenschappen heeft om een zuivere circuitoverdracht te garanderen. Het meest voorkomende substraatmateriaal dat in PCB's wordt gebruikt, is FR-4, een vlamvertragend composiet van geweven glasvezeldoek en epoxyhars.

FR-4 wordt veel gebruikt vanwege zijn uitstekende eigenschappen, waaronder:

• Hoge sterkte-gewichtsverhouding
• Goede elektrische isolatie
• Vlamvertragend
• Vochtbestendigheid
• Relatieve temperatuurbestendigheid (meestal beoordeeld voor 50°C tot 115°C)

FR-4-substraten zijn er in verschillende kwaliteiten, elk met specifieke eigenschappen die zijn afgestemd op verschillende toepassingen. Zo is hoogtemperatuur FR-4 (hoge Tg) compatibel met loodvrije reflow-technologie en is bestand tegen temperaturen tot 170°C tot 180°C. Halogeenvrije FR-4 is een andere variant die voldoet aan de milieuvoorschriften en compatibel is met loodvrije reflow-technologie.

Naast FR-4 worden andere substraatmaterialen gebruikt in PCB's voor specifieke toepassingen:

• Rogers: Polymeer-keramische composieten die een hoge thermische stabiliteit en goede elektrische prestaties bieden, waardoor ze geschikt zijn voor hoogfrequente en hoogwaardige circuits.
• Polyimide: Een flexibel, hittebestendig materiaal dat wordt gebruikt in flexibele PCB's en omgevingen met hoge temperaturen.
• Metaalkern (bijv. aluminium): Biedt verbeterd thermisch beheer en wordt gebruikt in krachtige elektronica en LED-verlichtingstoepassingen.

Bij het kiezen van een substraatmateriaal moeten ingenieurs rekening houden met factoren zoals elektrische eigenschappen, thermische eigenschappen en kosten. Het juiste substraatmateriaal zorgt ervoor dat de PCB kan voldoen aan de specifieke eisen van de toepassing met behoud van betrouwbaarheid en prestaties.

Geleidende materialen

Geleidende materialen spelen een cruciale rol in PCB's en vormen de circuitpaden die elektrische signalen in staat stellen om tussen componenten te reizen. Het meest gebruikte geleidende materiaal in PCB's is koper, dankzij de uitstekende geleidbaarheid en kosteneffectiviteit.

De koperdikte is een belangrijke overweging bij het PCB-ontwerp, omdat deze de stroomvoerende capaciteit en signaalintegriteit van de sporen beïnvloedt. De koperdikte wordt meestal gemeten in ounces per vierkante voet (oz/ft²), waarbij 1 oz/ft² de meest voorkomende dikte is. Dit komt overeen met ongeveer 35 µm of 1,4 mils. Dikkere koperlagen, zoals 2 oz/ft² of 3 oz/ft², worden gebruikt in krachtige toepassingen of wanneer een grotere mechanische sterkte vereist is.

Hoewel koper het primaire geleidende materiaal in PCB's is, worden soms andere materialen gebruikt voor specifieke toepassingen:

• Aluminium: Wordt gebruikt in sommige krachtige toepassingen vanwege de lagere kosten en het lagere gewicht in vergelijking met koper.
• Zilver en goud: Worden gebruikt in gespecialiseerde toepassingen of als plating om de geleidbaarheid en corrosiebestendigheid te verbeteren.

Om koperen sporen te beschermen tegen oxidatie en betrouwbaar solderen te garanderen, worden ze vaak gecoat met een beschermende laag, zoals een soldeermasker of een gouden plating. Het soldeermasker helpt ook om soldeerbruggen tussen dicht op elkaar geplaatste pads te voorkomen tijdens het assemblageproces.

Een andere belangrijke overweging bij het PCB-ontwerp is de breedte van de koperen sporen. De spoorbreedte heeft direct invloed op de stroomvoerende capaciteit van het circuit, waarbij bredere sporen hogere stromen kunnen verwerken. Het vergroten van de spoorbreedte vergroot echter ook de totale grootte van de PCB, dus ontwerpers moeten een evenwicht vinden tussen de stroomvoerende capaciteit en de grootte van de printplaat.

Soldeermasker

Soldeermasker, ook bekend als soldeerresist of soldeerstoppmasker, is een dunne, beschermende polymeerlaag die wordt aangebracht op de koperen sporen van een PCB. Het primaire doel is om de geleidende sporen te isoleren en accidentele kortsluitingen tijdens het soldeerproces te voorkomen.

Soldeermasker is typisch samengesteld uit een polymeer op epoxybasis dat op het PCB-oppervlak wordt aangebracht met behulp van zeefdruk- of liquid photo imaging (LPI)-technieken. Na het aanbrengen wordt het soldeermasker uitgehard met behulp van warmte of ultraviolet (UV) licht om een duurzame, beschermende laag te creëren.

De meest voorkomende kleur voor soldeermasker is groen, maar andere kleuren, zoals blauw, rood en zwart, zijn ook beschikbaar. Groen is de meest populaire keuze omdat het een goed contrast biedt met de koperen sporen en het gemakkelijker maakt om de PCB te inspecteren op defecten.

De belangrijkste functies van soldeermasker zijn:

1. Het voorkomen van soldeerbruggen: Door de ruimtes tussen koperen sporen te bedekken, voorkomt soldeermasker accidentele soldeerverbindingen die kortsluiting kunnen veroorzaken.
2. Het beschermen van koperen sporen: Soldeermasker beschermt de koperen sporen tegen omgevingsfactoren, zoals vocht en stof, die na verloop van tijd corrosie en aantasting kunnen veroorzaken.
3. Het bieden van elektrische isolatie: Het soldeermasker fungeert als een isolerende laag en voorkomt elektrisch contact tussen aangrenzende sporen en componenten.

De typische dikte van een soldeermaskerlaag varieert van 0,8 tot 1,0 mil (20 tot 25 µm). De dikte wordt zorgvuldig gecontroleerd om ervoor te zorgen dat het masker voldoende bescherming biedt zonder het soldeerproces of de plaatsing van componenten te belemmeren.

Soldeermasker speelt een cruciale rol in het algehele PCB-fabricageproces en zorgt voor de betrouwbaarheid en levensduur van het eindproduct. Zonder een correct aangebracht soldeermasker zouden PCB's vatbaarder zijn voor kortsluiting, corrosie en andere problemen die hun prestaties en levensduur in gevaar zouden kunnen brengen.

Zeefdruk

Silkscreen, ook bekend als legende of nomenclatuur, is een laag tekst en symbolen die op het oppervlak van een PCB wordt gedrukt om belangrijke informatie te verstrekken voor assemblage, testen en probleemoplossing. In tegenstelling tot het soldeermasker, dat een functioneel doel dient, wordt de silkscreen voornamelijk gebruikt voor identificatie en communicatie.

De silkscreen wordt typisch gedrukt met behulp van een hittebestendige inkt op epoxybasis die goed hecht aan het PCB-oppervlak. De meest voorkomende kleur voor silkscreen is wit, omdat het een uitstekend contrast biedt met het donkerdere soldeermasker. Er kunnen echter ook andere kleuren, zoals geel, worden gebruikt.

De informatie die in de silkscreen is opgenomen, kan variëren afhankelijk van de specifieke vereisten van de PCB, maar omvat vaak:

1. Componentaanduidingen: Labels die de locatie en het type van elk component op de printplaat identificeren, zoals “R1” voor een weerstand of “C2” voor een condensator.
2. Referentieaanduidingen: Unieke identificatiecodes voor elk component die overeenkomen met hun schematische symbool en stuklijst (BOM) vermelding.
3. Polariteitsindicatoren: Symbolen die de juiste oriëntatie van gepolariseerde componenten aangeven, zoals elektrolytische condensatoren en diodes.
4. Fabrikantenlogo's: Brandingelementen die de PCB-fabrikant identificeren of het bedrijf dat de printplaat heeft ontworpen.
5. Waarschuwingssymbolen: Veiligheidsgerelateerde informatie, zoals hoogspanningswaarschuwingen of instructies voor het hanteren van ESD-gevoelige apparaten.

De silkscreen wordt op de PCB aangebracht met behulp van zeefdruk- of inkjetprinttechnieken. Zeefdrukken omvat het gebruik van een stencil om de inkt op het PCB-oppervlak over te brengen, terwijl inkjetprinten een digitale printer gebruikt om de inkt rechtstreeks op de printplaat aan te brengen.

De aanwezigheid van een duidelijke en nauwkeurige silkscreen is cruciaal voor PCB-assemblage en probleemoplossing. Het helpt technici om snel componenten en hun juiste plaatsing te identificeren, waardoor het risico op assemblagefouten wordt verminderd en het gemakkelijker wordt om problemen te diagnosticeren en op te lossen die zich tijdens de levensduur van het product kunnen voordoen.

Soorten PCB's en materiaaloverwegingen

PCB's zijn er in verschillende soorten, elk met zijn eigen unieke structuur en materiaaleisen. De drie hoofdcategorieën PCB's zijn enkelzijdige, dubbelzijdige en meerlaagse printplaten. De materiaalkeuze voor elk type hangt af van factoren zoals de complexiteit van het circuit, de werkomgeving en de gewenste prestatiekenmerken.

Enkelzijdige PCB's

Enkelzijdige PCB's hebben geleidend materiaal aan slechts één kant van het substraat. Ze zijn het eenvoudigste en meest kosteneffectieve type PCB, waardoor ze geschikt zijn voor eenvoudige circuits met een lage dichtheid. Het meest voorkomende substraatmateriaal voor enkelzijdige PCB's is FR-4, terwijl de geleidende laag typisch van koper is gemaakt.

Enkelzijdige PCB's worden vaak gebruikt in consumentenelektronica, zoals speelgoed en eenvoudige apparaten, waar kosten een primaire zorg zijn. Hun beperkte routeringsopties en lagere componentdichtheid maken ze echter minder geschikt voor complexere ontwerpen.

Dubbelzijdige PCB's

Dubbelzijdige PCB's hebben geleidend materiaal aan beide zijden van het substraat, waardoor complexere circuits en een hogere componentdichtheid mogelijk zijn. Deze printplaten bevatten vaak doorlopende gaten en via's om de geleidende lagen aan tegenoverliggende zijden te verbinden.

De materiaaloverwegingen voor dubbelzijdige PCB's zijn vergelijkbaar met die voor enkelzijdige printplaten, waarbij FR-4 het meest voorkomende substraatmateriaal is. De toegenomen complexiteit van dubbelzijdige ontwerpen kan echter het gebruik van hoogwaardigere materialen of gespecialiseerde substraten vereisen om de juiste prestaties en betrouwbaarheid te garanderen.

Dubbelzijdige PCB's worden gebruikt in een breed scala aan toepassingen, waaronder consumentenelektronica, industriële besturingen en telecommunicatieapparatuur.

Meerlaagse PCB's

Meerlaagse PCB's bestaan uit drie of meer geleidende lagen die gescheiden zijn door isolerende lagen. Deze boards bieden de hoogste componentdichtheid en routeringsopties, waardoor ze geschikt zijn voor complexe, hoogwaardige toepassingen.

De materiaalkeuze voor meerlaagse PCB's is cruciaal, omdat het toegenomen aantal lagen en de nabijheid van de geleidende sporen kunnen leiden tot problemen met de signaalintegriteit, zoals overspraak en elektromagnetische interferentie (EMI). Om deze problemen te verminderen, kunnen ontwerpers gespecialiseerde substraatmaterialen gebruiken met lage diëlektrische constanten en dissipatiefactoren, zoals Rogers- of Isola-materialen.

Naast zorgen over de signaalintegriteit, hebben meerlaagse PCB's ook te maken met uitdagingen op het gebied van thermisch beheer en mechanische spanning. Het gebruik van hoogwaardige materialen, zoals polyimide- of keramische substraten, kan helpen deze problemen aan te pakken en een betrouwbare werking in veeleisende omgevingen te garanderen.

Meerlaagse PCB's worden vaak aangetroffen in hoogwaardige toepassingen, zoals ruimtevaart, defensie en medische apparatuur, waar betrouwbaarheid en prestaties van het grootste belang zijn.

De materiaalkeuze voor elk type PCB heeft een aanzienlijke invloed op de prestaties, de kosten en de complexiteit van de fabricage van de printplaat. Door zorgvuldig de juiste materialen te selecteren op basis van de specifieke eisen van de toepassing, kunnen ontwerpers ervoor zorgen dat hun PCB's voldoen aan de noodzakelijke prestatie- en betrouwbaarheidsnormen, terwijl de kosten en productie-uitdagingen worden geminimaliseerd.

Conclusie

Concluderend spelen de materialen die worden gebruikt bij de constructie van printplaten een cruciale rol bij het bepalen van de prestaties, betrouwbaarheid en kosten van elektronische apparaten. De vier belangrijkste componenten van een PCB - substraat, geleidende materialen, soldeermasker en zeefdruk - dienen elk een specifiek doel en dragen bij aan de algehele functionaliteit van de printplaat.

Het substraat, typisch gemaakt van FR-4 of andere gespecialiseerde materialen, biedt de basis voor de PCB en biedt mechanische ondersteuning en elektrische isolatie. Geleidende materialen, voornamelijk koper, vormen de circuitpaden die elektrische signalen tussen componenten laten stromen. Het soldeermasker beschermt de koperen sporen tegen beschadiging en voorkomt kortsluiting tijdens het soldeerproces, terwijl de zeefdruk essentiële informatie biedt voor montage en probleemoplossing.

Naarmate de technologie vordert en de vraag naar hoogwaardige elektronica groeit, ontstaan er nieuwe trends in PCB-materialen. Milieuvriendelijke opties, zoals halogeenvrije substraten en loodvrije soldeertinnen, worden steeds populairder naarmate fabrikanten ernaar streven hun ecologische voetafdruk te verkleinen. Bovendien maakt de ontwikkeling van geavanceerde materialen, zoals substraten met lage verliezen en hoogfrequente laminaten, het ontwerp mogelijk van PCB's die op hogere frequenties kunnen werken en de nieuwste communicatiestandaarden kunnen ondersteunen.

Voor ingenieurs en ontwerpers is een diepgaand begrip van PCB-materialen essentieel voor het creëren van effectieve en efficiënte elektronische apparaten. Door zorgvuldig de juiste materialen te selecteren op basis van de specifieke eisen van de toepassing, kunnen ontwerpers de prestaties, betrouwbaarheid en kosten van hun producten optimaliseren. Naarmate de elektronica-industrie zich blijft ontwikkelen, zal het up-to-date blijven met de nieuwste ontwikkelingen in PCB-materialen cruciaal zijn voor succes in dit dynamische en innovatieve vakgebied.