Какие материалы используются при производстве PCBA?

Сборка печатных плат (PCBA) является сердцем каждого электронного устройства — от смартфонов и медицинских приборов до промышленных систем автоматизации. Хотя многие обсуждения сосредоточены на проектировании и функциональности, один из самых важных, но часто упускаемых аспектов — материалы, используемые в производстве PCBA. Эти материалы влияют не только на производительность и надежность, но и на стоимость, тепловое поведение и даже экологическую устойчивость. В этой статье мы рассмотрим основные материалы, применяемые в производстве PCBA, их функции и то, как правильный выбор влияет на качество продукта.

1. Основа: материалы подложки печатной платы

1.1 FR-4: промышленный стандарт

FR-4 — это стеклотекстолит на основе эпоксидной смолы, являющийся наиболее распространённым материалом для печатных плат. Он обладает отличной механической прочностью, огнестойкостью и электрической изоляцией. Благодаря своей доступности FR-4 используется в большинстве потребительской электроники.

Основные характеристики:

• Термостойкость: до 140–150°C (значение Tg)
• Хорошая стабильность размеров
• Умеренная диэлектрическая проницаемость (~4,5)

Однако для высокочастотных или скоростных схем FR-4 может вызывать потери сигнала и нестабильность импеданса, поэтому инженеры применяют более продвинутые альтернативы.

1.2 Высокочастотные подложки: Rogers, Taconic и PTFE

Для радиочастотных и микроволновых приложений материалы Rogers и Taconic превосходят FR-4 благодаря низким диэлектрическим потерям и высокой стабильности на частотах. Политетрафторэтилен (PTFE) идеален для систем связи 5G и радарного оборудования.

Преимущества:

• Низкая диэлектрическая проницаемость (2.2–3.0)
• Отличная целостность сигнала
• Высокая термостойкость

1.3 Печатные платы на металлическом основании (MCPCB)

В мощной электронике и светодиодных приложениях используются платы на металлической основе (обычно алюминиевые или медные), которые эффективно рассеивают тепло. Такие подложки уменьшают тепловое расширение и защищают компоненты от перегрева.

Применение:

• Автомобильные осветительные системы
• Преобразователи питания
• Высокотоковые устройства

2. Проводящие слои: медная фольга и её разновидности

2.1 Стандартная медная фольга

Медь — основной проводящий материал благодаря высокой электропроводности. Толщина меди измеряется в унциях на квадратный фут (1 oz, 2 oz и т.д.) — чем больше ток, тем толще слой.

2.2 Прокатанная и электроосаждённая медь

• Прокатанная отожжённая (RA) медь: обладает высокой гибкостью, подходит для гибких плат.
• Электроосаждённая (ED) медь: чаще применяется в жёстких платах, имеет отличное сцепление с подложкой.

2.3 Поверхностные покрытия меди

Для улучшения паяемости и защиты от окисления медь покрывают специальными слоями:

• ENIG (никель-золото): гладкое, коррозионностойкое покрытие.
• HASL (горячее олово-свинцовое выравнивание): экономичное и распространённое.
• OSP (органический защитный слой): экологичный и подходит для бессвинцовой пайки.

3. Паяльные материалы: основа соединений

3.1 Свинцовые и бессвинцовые припои

Ранее стандартом был припой Sn63Pb37, обладающий низкой температурой плавления и высокой надёжностью. Однако с введением директивы RoHS (ограничение опасных веществ) промышленность перешла на бессвинцовые сплавы, такие как SAC305 (Sn96.5Ag3.0Cu0.5).

3.2 Флюс: скрытый герой

Флюс удаляет окислы и обеспечивает хорошее смачивание при пайке. Существуют различные типы:

• На основе канифоли: традиционный и надёжный вариант.
• Не требующий очистки: не нуждается в промывке после пайки.
• Водорастворимый: легко очищается, но требует правильной обработки.

3.3 Паяльная паста в SMT

В технологии поверхностного монтажа (SMT) паяльная паста сочетает металлический порошок и флюс для надёжного крепления компонентов. Состав и размер частиц напрямую влияют на качество пайки.

4. Электронные компоненты: от пассивных до активных

4.1 Пассивные компоненты

Резисторы, конденсаторы и индуктивности формируют основу схемы. Качество материалов определяет их стабильность при изменении температуры и нагрузок.

Примеры:

• MLCC-конденсаторы: используют керамические диэлектрики (X7R, C0G, Y5V).
• Толстоплёночные резисторы: изготавливаются из металлооксида или углеродной плёнки.

4.2 Активные компоненты

Микросхемы, транзисторы и диоды в основном основаны на кремнии, однако нитрид галлия (GaN) и карбид кремния (SiC) активно применяются в мощных и энергоэффективных устройствах.

Преимущества GaN/SiC:

• Быстрое переключение
• Низкие потери
• Отличная теплопроводность

  

4.3 Разъёмы и кабели

Разъёмы обычно изготавливаются из фосфористой бронзы или латуни с золотым или оловянным покрытием для улучшения проводимости и защиты от коррозии.

5. Защитные и финишные материалы

5.1 Конформное покрытие

Для защиты сборок от влаги, пыли и химических воздействий применяются конформные покрытия:

• Акрил (AR): легко наносится и удаляется.
• Силикон (SR): обладает гибкостью и выдерживает высокие температуры.
• Полиуретан (UR): обеспечивает стойкость к химическим веществам.

5.2 Заливка и компаунды

Для эксплуатации в жёстких условиях платы заливаются эпоксидными, силиконовыми или полиуретановыми компаундами, обеспечивающими защиту от вибраций и ударов.

5.3 Шёлкография и маркировка

На слой шелкографии наносятся надписи и обозначения компонентов с помощью эпоксидных чернил — это важно для точности сборки и ремонта.

6. Экологические и нормативные требования

6.1 Соответствие RoHS и REACH

Современные материалы PCBA должны соответствовать экологическим нормам, таким как RoHS, ограничивающей использование свинца, ртути и кадмия, и REACH, регулирующей применение химических веществ в ЕС.

6.2 Безгалогенные материалы

Для повышения экологичности всё чаще применяются безгалогенные ламинаты и бессвинцовые припои, что способствует снижению токсичности и соответствию международным стандартам.

7. Будущее материалов PCBA

7.1 Гибкая и растягиваемая электроника

Материалы, такие как полиимид (PI) и жидкокристаллический полимер (LCP), позволяют создавать гибкие и носимые устройства с высокой термостойкостью и отличными диэлектрическими свойствами.

7.2 Графен и наноматериалы

Использование графена и углеродных нанотрубок (CNT) открывает новые возможности: улучшенная проводимость, снижение веса и инновационные конструкции для электроники будущего.

7.3 Биодеградируемые и экологичные платы

С ростом интереса к устойчивым технологиям разрабатываются биоразлагаемые подложки на основе натуральных волокон и целлюлозных композитов, что помогает уменьшить электронные отходы.

Материалы — это невидимый фундамент производства PCBA. Каждый слой — от подложки до припоя — играет решающую роль в обеспечении функциональности, долговечности и соответствия стандартам. По мере того как электроника становится компактнее, быстрее и экологичнее, инновации в области материалов будут определять будущее технологий PCBA. Правильный выбор материалов — это не просто технический шаг, а стратегическое решение, влияющее на успех продукта и его жизненный цикл.