Печатная плата, также известная как печатная плата (PCB), служит основой для большинства электронных устройств. Она обеспечивает механическую поддержку и электрические соединения для электронных компонентов. Основание печатной платы, часто называемое подложкой или диэлектриком, представляет собой изоляционный слой, на котором вытравлены или напечатаны проводящие дорожки. Понимание электрического сопротивления этого материала основания имеет решающее значение для обеспечения надлежащего функционирования и надежности электронных схем. В то время как проводящие дорожки рассчитаны на низкое сопротивление для облегчения передачи сигнала, материал основы тщательно разработан для обеспечения высокой прочности для предотвращения нежелательного протекания тока между дорожками и компонентами, что позволяет избежать короткого замыкания и утечки сигнала. В этой статье мы рассмотрим факторы, влияющие на сопротивление материалов основания печатной платы, изучим различные типы подложек и обсудим влияние сопротивления на разработку схем, особенно в высокопроизводительных приложениях. Мы выйдем за рамки поверхностных объяснений и обеспечим глубокое, аналитическое понимание этого часто упускаемого из виду аспекта электронного дизайна, опираясь на знания из области материаловедения и электротехники.
Типы материалов основания печатных плат
В качестве основы для печатных плат используется несколько материалов, каждый из которых обладает своим уникальным набором свойств. Выбор материала зависит от таких факторов, как рабочая частота, температура, требования к механической прочности и стоимость. Давайте рассмотрим некоторые из наиболее распространенных типов:
FR-4: Повсеместный стандарт
Это наиболее широко используемый материал для основания печатных плат. Это композитный материал, изготовленный из тканого стекловолокна, пропитанного эпоксидной смолой. Аббревиатура "FR" означает "Flame Retardant", что указывает на его способность противостоять горению.
Состав
Состав FR-4 является ключевым фактором, определяющим его свойства. Плетеное стекловолокно обеспечивает механическую прочность и стабильность размеров, а эпоксидная смола выступает в качестве связующего и обеспечивает электроизоляцию. Соотношение смолы и стекловолокна, конкретный тип используемой смолы и переплетение стекловолокна могут существенно повлиять на общее удельное сопротивление.
Типовые применения
Благодаря своим сбалансированным свойствам и экономичности FR-4 находит широкое применение. Он широко используется в бытовой электронике, компьютерах, телекоммуникационном оборудовании и промышленных системах управления.
Электрические свойства
FR-4 обладает хорошей электроизоляцией с относительно высокой диэлектрической проницаемостью (около 4,2-4,8) и умеренными диэлектрическими потерями. Его сопротивление, как правило, высокое, обычно в диапазоне 1012 до 1014 Ω-м, что делает его пригодным для широкого спектра приложений общего назначения. Однако он имеет ограничения в высокочастотных приложениях выше нескольких ГГц из-за более высокого коэффициента рассеяния, который приводит к ослаблению сигнала.
CEM-1: экономически эффективная альтернатива
CEM-1 представляет собой более бюджетный вариант по сравнению с FR-4. Это более дешевая альтернатива FR-4, часто используемая в односторонних печатных платах. Это композитный материал, состоящий из целлюлозного бумажного сердечника с одним слоем тканой стеклоткани с каждой стороны, пропитанной эпоксидной смолой.
Состав
Состав CEM-1 отличается от FR-4, что влияет на его характеристики. Бумажная сердцевина обеспечивает экономичную основу, а слои стеклоткани придают некоторую механическую прочность. Присутствие целлюлозы делает его более восприимчивым к поглощению влаги, что может негативно сказаться на его электрических свойствах.
Типовые применения
Благодаря своей низкой стоимости CEM-1 часто встречается в менее требовательных приложениях. Его часто можно встретить в недорогой бытовой электронике, такой как светодиодные светильники, калькуляторы и простые электронные игрушки.
Электрические свойства
CEM-1 обладает более низкими электроизоляционными свойствами по сравнению с FR-4, с более высокой диэлектрической проницаемостью и более высокими диэлектрическими потерями. Его сопротивление все еще относительно высокое, но ниже, чем у FR-4, и он более подвержен деградации из-за поглощения влаги, что может еще больше снизить его сопротивление.
PTFE (тефлон): Превосходство в высокочастотных применениях
Когда высокочастотные характеристики имеют первостепенное значение, выбор часто падает на PTFE. Политетрафторэтилен (PTFE), широко известный как тефлон, - это синтетический фторполимер, известный своей исключительной химической стойкостью, низким коэффициентом трения и отличными электроизоляционными свойствами.
Состав
Уникальные свойства ПТФЭ обусловлены его молекулярной структурой. ПТФЭ - это полимер, состоящий из атомов углерода и фтора, образующих прочные связи углерод-фтор. Такая молекулярная структура приводит к очень низкой концентрации подвижных носителей заряда, что обусловливает его высокое удельное сопротивление.
Типовые применения
Благодаря своим превосходным высокочастотным характеристикам PTFE является предпочтительным материалом для сложных приложений. Он используется в высокочастотных и микроволновых приложениях, таких как радиочастотные цепи, антенны и аэрокосмическая электроника, где низкие диэлектрические потери имеют решающее значение для минимизации деградации сигнала.
Электрические свойства
PTFE имеет очень низкую диэлектрическую проницаемость (около 2,1) и чрезвычайно низкие диэлектрические потери, что делает его идеальным для высокочастотных применений. Он обладает очень высоким сопротивлением, часто превышающим 1016 Ω-м, благодаря сильным связям C-F и отсутствию полярных групп, что минимизирует межфазную поляризацию и прыжки электронов.
Полиимид: выдерживает экстремальные температуры
Для приложений, требующих исключительной термической стабильности, часто выбирают полиимид. Это высокоэффективный полимер, известный своей превосходной термостойкостью, механической прочностью и химической стойкостью.
Состав
Прочность полиимида обусловлена его уникальным составом. Полиимид образуется в результате полимеризации имидных мономеров, что приводит к образованию жесткой и стабильной молекулярной структуры. Такая структура способствует его устойчивости к высоким температурам и стабильным электрическим свойствам даже в суровых условиях.
Типовые применения
Благодаря устойчивости к высоким температурам полиимид подходит для работы в жестких условиях. Он используется в сложных приложениях, требующих высокой термостойкости, таких как гибкие схемы, аэрокосмическая электроника и медицинские приборы.
Электрические свойства
Полиимид обеспечивает хорошую электроизоляцию благодаря относительно высокой диэлектрической проницаемости (около 3,5) и низким диэлектрическим потерям. Он сохраняет высокое сопротивление, обычно выше 1016 Ω-м, даже при повышенных температурах, что делает его подходящим для применений, где термическая стабильность имеет решающее значение.
Новые материалы: Расширяя границы
Помимо уже известных материалов, постоянно появляются новые варианты, расширяющие границы возможностей печатных плат. Вот несколько ярких примеров:
Жидкокристаллические полимеры (ЖКП)
Благодаря высокоупорядоченной молекулярной структуре они обладают исключительной стабильностью размеров, низким влагопоглощением и отличными высокочастотными характеристиками. Такая структура минимизирует диэлектрические потери и обеспечивает стабильные электрические свойства в широком диапазоне частот.
Термопластичные композиты
Такие материалы, как полиэфирэфиркетон (PEEK) и полифениленсульфид (PPS), обеспечивают уникальное сочетание механической прочности, химической стойкости и индивидуальных электрических свойств, включая высокое удельное сопротивление. Их стойкость можно точно настроить путем тщательного подбора материала и его обработки.
Эти новые материалы расширяют возможности проектирования печатных плат, обеспечивая повышенную производительность и функциональность. Они представляют собой непрерывные инновации в материаловедении, стимулирующие прогресс в области электронных устройств, особенно в таких областях, как высокоскоростные вычисления и передовые сенсорные системы.
Факторы, влияющие на сопротивление материалов основания печатных плат
Электрическое сопротивление материала основания печатной платы не является фиксированной величиной, а зависит от нескольких факторов как на макроскопическом, так и на микроскопическом уровнях. Давайте рассмотрим основные факторы, которые могут изменять сопротивление:
Состав материала: Основа сопротивления
Сами строительные блоки основного материала играют решающую роль в его стойкости.
Молекулярная структура
Молекулярная структура основного материала играет важную роль в его сопротивлении. Материалы с сильными ковалентными связями и ограниченным количеством свободных электронов, такие как ПТФЭ, как правило, имеют более высокую стойкость. Сильные связи C-F в ПТФЭ, например, ограничивают подвижность электронов. Напротив, материалы с более слабыми связями или более подвижными носителями заряда будут обладать меньшим сопротивлением.
Чистота
Даже незначительные отклонения в чистоте материала могут оказать влияние. Чистота материала также имеет значение. Примеси могут вводить носители заряда, снижая общее сопротивление. Материалы высокой чистоты обычно обладают более высоким удельным сопротивлением.
Композитная природа
Для композитных материалов очень важен конкретный состав. В композитных материалах, таких как FR-4, соотношение смолы и стекловолокна, тип используемой смолы и наличие каких-либо добавок могут существенно повлиять на сопротивление. Связность проводящих наполнителей в матрице изоляционной смолы, как описывает теория перколяции, также может значительно изменить удельное сопротивление. Даже рисунок плетения стекловолокна может влиять на электрические свойства материала.
Температура: Динамическое влияние
Перепады температуры могут существенно повлиять на сопротивление основного материала.
Тепловая энергия и подвижность электронов
В большинстве изоляционных материалов сопротивление уменьшается с ростом температуры. При более высоких температурах электроны получают больше тепловой энергии, что позволяет им преодолевать энергетические барьеры и способствовать проводимости, увеличивая их подвижность. Эта повышенная подвижность приводит к уменьшению удельного сопротивления.
Температурный коэффициент сопротивления (TCR)
То, как изменяется сопротивление материала в зависимости от температуры, определяется его TCR. Количественная оценка TCR показывает, насколько изменяется сопротивление на один градус Цельсия. Такие материалы, как полиимид, демонстрируют более стабильное сопротивление в широком диапазоне температур по сравнению с материалами типа CEM-1, что делает их подходящими для высокотемпературных применений.
Поглощение влаги: Враг изоляции
Присутствие влаги может значительно ухудшить изоляционные свойства основного материала.
Полярность воды
Многие материалы для изготовления печатных плат, особенно содержащие целлюлозу или некоторые виды смол, могут поглощать влагу из окружающей среды. Молекулы воды, будучи полярными, могут вводить ионы и увеличивать проводимость материала, тем самым снижая его сопротивление. Этот эффект особенно ярко проявляется в материалах с высокой степенью поглощения влаги.
Восприимчивость материала
Различные материалы имеют разную степень восприимчивости к влаге. Скорость поглощения влаги зависит от состава материала и условий окружающей среды (влажность, температура). Такие материалы, как PTFE и LCP, имеют очень низкий уровень поглощения влаги, что делает их более устойчивыми к негативному влиянию влаги на электрические свойства.
Частота: Высокочастотный вызов
Частота электрических сигналов, проходящих через цепь, также может влиять на эффективное сопротивление.
Диэлектрические потери
На более высоких частотах эффективное сопротивление диэлектрического материала может зависеть от диэлектрических потерь.
Рассеивание энергии
Диэлектрические потери - это показатель того, сколько энергии рассеивается в виде тепла при приложении к материалу переменного электрического поля. Эта потеря энергии проявляется в виде уменьшения эффективного сопротивления и может привести к ослаблению сигнала. Тангенс потерь (или коэффициент диссипации) количественно определяет эту потерю энергии.
Высокочастотные характеристики
Материалы с низкими диэлектрическими потерями очень важны для высокочастотных приложений. Такие материалы, как PTFE, предпочтительны для высокочастотных применений благодаря их низким диэлектрическим потерям, что позволяет минимизировать деградацию сигнала и сохранить его целостность.
Процесс производства: Тонкие различия
Способ изготовления печатной платы может вносить тонкие изменения в сопротивление.
Отверждение и ламинирование
Изменения в процессе производства, такие как температура и давление отверждения при ламинировании, могут повлиять на плотность и однородность основного материала, что приведет к изменению сопротивления. Например, недостаточное отверждение может привести к образованию менее сшитой полимерной сети, что потенциально снижает удельное сопротивление.
Контроль качества
Постоянство качества имеет первостепенное значение в производстве. Качество используемого сырья и последовательность производственного процесса имеют решающее значение для обеспечения постоянства электрических свойств. Изменения качества сырья или параметров производства могут привести к колебаниям удельного сопротивления от партии к партии.
Эти факторы в совокупности определяют сопротивление материала основания печатной платы, и понимание их влияния имеет решающее значение для выбора подходящего материала для конкретного применения. Каждый фактор играет свою роль в общей производительности печатной платы, и их взаимодействие может быть сложным.
Измерение сопротивления материалов основания печатной платы
Сопротивление материалов основания печатных плат обычно характеризуется двумя параметрами: объемным и поверхностным удельным сопротивлением. Точное измерение этих высоких сопротивлений требует применения специальных методик и тщательного контроля факторов окружающей среды. Давайте рассмотрим, как измеряется каждый из этих параметров:
Объемное удельное сопротивление: Измерение сопротивления через объем
Этот показатель измеряет сопротивление материала прохождению тока через его объем. Он определяется как электрическое сопротивление между противоположными гранями единичного куба материала и выражается в ом-м (Ω-m).
Метод испытания
Стандартизированные методы обеспечивают последовательность и надежность измерений. ASTM D257 - широко используемый стандарт для измерения объемного удельного сопротивления. Он включает в себя приложение известного напряжения к образцу материала и измерение результирующего тока. Затем рассчитывается объемное удельное сопротивление, используя размеры образца и измеренные ток и напряжение. Для минимизации влияния поверхностных токов утечки, которые могут искусственно снизить измеренное удельное сопротивление, часто используются защитные электроды.
Значение
Объемное удельное сопротивление позволяет измерить присущую материалу изоляционную способность. Объемное удельное сопротивление важно для оценки общего качества изоляции основного материала и его способности предотвращать токи утечки между проводящими слоями в многослойных печатных платах. Высокое объемное удельное сопротивление необходимо для предотвращения коротких замыканий и обеспечения правильной работы схемы.
Поверхностная упругость: Измерение сопротивления вдоль поверхности
Этот показатель измеряет сопротивление материала прохождению тока по его поверхности. Он определяется как электрическое сопротивление между двумя электродами на одной поверхности материала, образующими противоположные стороны квадрата. Оно выражается в омах на квадрат (Ω/sq).
Метод испытания
Как и объемное удельное сопротивление, поверхностное удельное сопротивление измеряется с помощью стандартизированных процедур. Стандарт ASTM D257 также охватывает измерение поверхностного удельного сопротивления. Обычно для этого используется кольцевой электрод с защитой, чтобы минимизировать влияние объемной проводимости. Тщательная подготовка образцов и использование проводящих паст могут потребоваться для минимизации контактного сопротивления, которое может внести погрешности в измерения.
Значение
Поверхностное сопротивление имеет решающее значение в приложениях, где состояние поверхности может повлиять на производительность. Удельное сопротивление поверхности особенно важно в тех случаях, когда загрязнение поверхности или впитывание влаги могут существенно повлиять на работу схемы. Оно также важно для оценки риска повреждения электростатическим разрядом (ESD), поскольку высокое поверхностное сопротивление может привести к накоплению статического заряда.
Правильные методы измерений необходимы для точного определения сопротивления материалов основания печатных плат и обеспечения их пригодности для конкретных приложений. Эти измерения предоставляют критически важные данные для разработчиков схем, позволяя им выбирать материалы с соответствующими электрическими свойствами для конкретных задач.
Высокое сопротивление против низкого сопротивления в основаниях печатных плат
Почему, как правило, требуется высокое сопротивление
Изоляция
Основная функция основания печатной платы - обеспечение электрической изоляции между проводящими дорожками и компонентами. Высокое сопротивление обеспечивает протекание тока только по намеченным путям, предотвращая короткие замыкания и помехи сигналам. Низкое сопротивление может привести к утечке тока между дорожками, что вызовет искажение сигнала, наводки и, возможно, выход устройства из строя.
Целостность сигнала
Сохранение целостности сигнала имеет решающее значение, особенно в высокоскоростных схемах. В высокоскоростных цифровых схемах низкое сопротивление материала основы может привести к рассогласованию импедансов, отражению сигнала, перекрестным наводкам и затуханию, что ухудшает качество сигнала. Высокое сопротивление помогает поддерживать характеристический импеданс линий передачи и минимизирует искажения сигнала.
Энергоэффективность
Высокое сопротивление способствует повышению энергоэффективности. Токи утечки из-за низкого сопротивления могут привести к потере мощности и повышенному тепловыделению, что снижает эффективность схемы. Высокое сопротивление минимизирует диэлектрические потери и повышает энергоэффективность, особенно в высокочастотных приложениях.
Сценарии, в которых более низкое сопротивление может быть приемлемым или предпочтительным
Несмотря на то, что высокая прочность обычно желательна, существуют особые ситуации, когда немного меньшая прочность может быть приемлемой или даже предпочтительной.
Наземные самолеты
В некоторых случаях немного меньшее сопротивление материала основания может быть приемлемым для наземных плоскостей, если это не ухудшает общую изоляцию платы. Однако это тщательно контролируется и не является общей характеристикой материала основания. Основная функция плоскости заземления - обеспечить низкоомный обратный путь для сигналов, и немного меньшее сопротивление иногда может быть полезным в этом отношении.
Специализированные приложения
Для некоторых нишевых применений может потребоваться контролируемый уровень проводимости. Могут существовать нишевые области применения, где требуется контролируемый уровень проводимости в основном материале, например, в некоторых типах датчиков или высоковольтных цепях. Однако это скорее исключения, чем норма, и для них требуются специальные материалы и конструкции.
Области применения, где устойчивость имеет решающее значение
Некоторые области применения предъявляют жесткие требования к прочности основного материала.
Высокочастотные цепи
В радиочастотных и микроволновых цепях диэлектрические потери основного материала, которые связаны с его сопротивлением, становятся критическим фактором. Материалы с низкими потерями, такие как PTFE, необходимы для минимизации затухания сигнала и поддержания целостности сигнала на высоких частотах.
Высоковольтные цепи
В схемах, работающих при высоком напряжении, сопротивление материала основания должно быть достаточно высоким, чтобы предотвратить диэлектрический пробой и обеспечить безопасную работу. Диэлектрический пробой может привести к катастрофическому разрушению печатной платы.
Чувствительные аналоговые схемы
В прецизионных аналоговых схемах даже небольшие токи утечки из-за низкого сопротивления базы могут вносить шумы и ошибки смещения, влияя на точность измерений. Высокое сопротивление имеет решающее значение для поддержания точности и стабильности этих схем.
Желаемое сопротивление основания печатной платы зависит от конкретных требований приложения, при этом для большинства приложений предпочтительно высокое сопротивление для обеспечения надлежащей изоляции и целостности сигнала. Выбор материала зависит от этих требований, и необходимо тщательно рассмотреть компромиссы между различными свойствами материала.
Последствия неадекватного сопротивления
Проблемы, вызванные слишком низким сопротивлением
Утечка сигнала
Ток может просачиваться между соседними трассами или между различными слоями многослойной печатной платы, что приводит к искажению сигнала и сбоям в работе. Эта утечка может испортить данные и привести к неправильной работе схемы.
Перекрестные помехи
Сигналы с одной трассы могут попадать на соседние трассы, вызывая помехи и шум, что особенно проблематично в высокоскоростных схемах. Перекрестные помехи могут привести к ошибкам в данных и снижению целостности сигнала.
Потеря мощности
Токи утечки могут рассеивать энергию в виде тепла, снижая эффективность схемы и потенциально вызывая тепловые проблемы, особенно в мощных приложениях. Это может привести к преждевременному выходу из строя компонентов и снижению надежности системы.
Короткие замыкания
В крайних случаях очень низкое сопротивление может привести к короткому замыканию между дорожками или компонентами, что вызовет катастрофический отказ устройства. Короткое замыкание может привести к чрезмерному протеканию тока, что может привести к повреждению компонентов и выходу печатной платы из строя.
Проблемы, вызванные слишком высоким сопротивлением
Хотя это встречается реже, чрезмерно высокое сопротивление также может быть проблематичным в некоторых ситуациях.
Накопление статического электричества
В материалах с очень высоким сопротивлением на поверхности могут накапливаться статические заряды, что может привести к повреждению чувствительных компонентов электростатическим разрядом (ESD). Электростатические разряды могут вызвать немедленное или скрытое повреждение электронных компонентов.
Трудности с заземлением
Чрезвычайно высокое сопротивление может затруднить создание надлежащего соединения с землей в некоторых схемах, что может привести к проблемам с электромагнитными помехами (EMI) и целостностью сигнала.
Выбор подходящего сопротивления для основания печатной платы имеет решающее значение для предотвращения этих проблем и обеспечения надлежащего функционирования электронного устройства. Последствия несоответствующего сопротивления могут варьироваться от незначительного ухудшения характеристик до полного отказа устройства. Тщательный выбор материала и проектирование необходимы для снижения этих рисков.
Заключение
Электрическое сопротивление материала основания печатной платы - критический параметр, который существенно влияет на производительность и надежность электронных схем. Низкое сопротивление не является неотъемлемым свойством оснований печатных плат; скорее, они намеренно разработаны для высокого сопротивления для обеспечения надлежащей изоляции и предотвращения нежелательного протекания тока. Оптимальное значение сопротивления зависит от конкретных требований приложения, особенно в высокочастотных, высоковольтных и чувствительных аналоговых схемах. На сопротивление основного материала влияют такие факторы, как состав материала (включая молекулярную структуру и чистоту), температура, влагопоглощение, частота и процесс производства.
Такие широко используемые материалы, как FR-4, CEM-1, PTFE и полиимид, обладают различными электрическими свойствами, удовлетворяя различные потребности. Новые материалы, такие как LCP и термопластичные композиты, еще больше расширяют возможности проектирования печатных плат, предлагая улучшенные характеристики и функциональность. Понимание этих свойств и выбор подходящего базового материала очень важны для успешного проектирования схем, особенно с учетом того, что требования к электронным системам продолжают расти. Продолжающиеся исследования наноматериалов, таких как углеродные нанотрубки и графен, и передовые технологии производства, такие как 3D-печать, обещают еще больше расширить наши возможности по изменению свойств печатных плат, открывая путь к повышению производительности и функциональности будущих электронных устройств. Тщательно продумывая сопротивление базовых материалов печатных плат, мы сможем и дальше расширять границы электроники, обеспечивая новые уровни производительности, миниатюризации и надежности.
Russian 
English 
German 
Arabic 
French 
Spanish 
Portuguese 
Korean 
Indonesian 
Chinese 
Italian 
Dutch 
Polish 
Hindi