Vad är kretskort gjorda av? En PCB Maker's Guide to Board Materials

Fråga de flesta ingenjörer vad ett kretskort är gjort av så får du ett enda ord tillbaka: glasfiber. Det svaret är korrekt, men det täcker bara det första lagret av en längre historia. Ett kretskort är en noggrant konstruerad hög med material, och var och en av dem måste förtjäna sin plats. Substratet ger brädet dess kropp och dess elektriska isolering, kopparn bär strömmen, lödmasken skyddar ytan och den slutliga finishen håller kopparn lödbar i åratal.

Vi har tillverkat brädor på vår Guangde-anläggning sedan 2013, från enkla enkelsidiga paneler upp till 32-lagers staplar, så vi tenderar att svara på den här frågan som en tillverkare gör. Den verkliga frågan är inte vad ett PCB är gjort av i allmänhet, utan vilken kombination av material som kommer att överleva din produkts miljö under dess förväntade livslängd.

Kärningredienserna i en kretskort

Ta bort jargongen och nästan varje tavla är byggd av samma korta materiallista:

Substrat: den isolerande basen, vanligtvis vävd glasfiber bunden med epoxiharts.
Kopparfolie: laminerad på substratet och etsad till spår, dynor och plan.
Plätering: koppar, och ibland tenn eller guld, avsatt inuti borrade hål för att länka samman lagren.
Lödmask: den färgade beläggningen som täcker allt utom kuddarna du behöver löda.
Silkscreen: den tryckta förklaringen som identifierar komponenter och referensbeteckningar.
Ytfinish: ett tunt metalliskt eller organiskt lager som hindrar exponerad koppar från att oxidera.

Vart och ett av dessa material kan bytas ut, uppgraderas eller förtjockas, och varje utbyte förändrar kostnad, tillverkningsbarhet och fälttillförlitlighet på samma gång.

Substratet: glasduk, harts och alternativen

Standard FR-4 börjar med vävd glasduk. Duken impregneras med epoxiharts och härdas delvis till ett ark som kallas prepreg, staplas sedan och pressas under värme och tryck tills hartset flyter och stelnar. Resultatet är styvt, formstabilt och en utmärkt isolator: glaset ger mekanisk styrka medan hartset definierar det elektriska och termiska beteendet.

Från den utgångspunkten förgrenas familjen snabbt:

FR-4 i standard, hög-Tg och halogenfria kvaliteter, branschens arbetshäst.
CEM-1 och CEM-3, sammansatta epoximaterial med fiberduk av glaskärna för kostnadskänsliga produkter.
FR-1 och FR-2, pappersbaserade laminat som används i mycket billiga enkelsidiga skivor.
Polyimidfilm, den flexibla basen för FPC och rigid-flex design som behöver böjas.
PTFE och keramiskt fyllda kolvätelaminat, väljs när signalförlusten måste förbli låg vid gigahertz-frekvenser.

De flesta av de viktiga avvägningarna lever i hartssystemet snarare än koppar. Glasövergångstemperatur, sönderdelningstemperatur, dielektricitetskonstant och fuktabsorption kommer alla från laminatkemin.

Dubbelsidig OSP PCB FR4 PCB använder ett epoxiharts av glasfibersubstrat som erbjuder utmärkt mekanisk styrka, hög temperaturbeständighet och elektriska isoleringsegenskaper. De en... Visa produkt →

En dubbelsidig FR-4-skiva med en OSP-finish är det vardagliga exemplet: standardlaminat, standardtjocklek och en finish som passar högvolymåterflödeslödning utan extra kostnad.

Koppar: Den del som bär strömmen

Koppar är den andra väsentliga ingrediensen. Folie anges efter vikt, och omvandlingen är värd att memorera: ett uns koppar spritt över en kvadratfot är ungefär 35 mikron tjockt. Fin-pitch digital design körs vanligtvis på halv-uns eller en-ounce folie, kraftkort ökar till två uns, och tungt koppararbete går till tre uns och mer.

Koppar förekommer på fler ställen än de synliga spåren. Under tillverkningen elektropläteras ytterligare koppar i varje borrat hål för att bilda en kontinuerlig cylindervägg, och de yttre skikten mönsterpläteras innan etsning. Kvaliteten på den plätering, inte bara dess tjocklek, avgör om en via överlever upprepad termisk cykling.

När nuvarande krav stiger är svaret ofta mer koppar snarare än mer brädarea. Tungkopparkonstruktioner sprider belastningen över de inre skikten, vilket håller temperaturökningen under kontroll utan en extern kylfläns.

14-lagers koppar Tjocka kopparkretskort använder ultratjock kopparfolie från 3 oz till 20 oz, med exceptionell strömförande kapacitet (över 100A) och motstånd mot hög temperatur ... Visa produkt →

När glasfiber är fel val

FR-4 svarar på de flesta frågor, men tre materialfamiljer tar över när de inte kan.

Metallkärna och kopparkärna skivor

Aluminium används som bas när värme snabbt måste lämna skivan. Ett tunt dielektriskt skikt är bundet till aluminiumet, kopparkretsar etsas på toppen och metallunderlaget fungerar som en värmespridare. Kopparkärniga versioner går längre och bär mycket höga strömtätheter i LED-belysning, motordrifter och kraftomvandling. Tunt som det är måste det dielektriska skiktet fortfarande hålla av hela arbetsspänningen, så dess tjocklek och värmeledningsförmåga är de två siffrorna som är värda att kontrollera först.

Enkelsidigt PCB i aluminium Metallsubstrat använder aluminium, koppar och andra metaller som deras kärna värmeledande skikt. En specialiserad isolerande dielektrikum ger överlägsen värmeavledning... Visa produkt →

Keramiska underlag

Aluminiumoxid och aluminiumnitrid ger värmeledningsförmåga som inget polymerlaminat kan matcha, tillsammans med en värmeutvidgningskoefficient nära kisel. De visas i högeffekts LED-moduler, RF-effektsteg och sensorer som måste fortsätta arbeta genom stora temperatursvängningar.

Flexibla filmer

Polyimid ersätter glasduk när skivan ska böjas. Samma koppar- och finishregler gäller, endast basen ändras, och med det hanteringsreglerna vid montering.

Lödmask, silkscreen och ytfinish

Lödmask är en epoxibaserad beläggning som appliceras över brädan och sedan härdas. Det hindrar lod från att överbrygga mellan kuddar, skyddar kopparn under från fukt och föroreningar och ger brädan dess välbekanta färg. Grönt är traditionellt eftersom det har den längsta meritlistan inom bildbehandling och inspektion, men svart, blått, rött och mattsvart är rutin idag. Silkscreen-bläck trycks ovanpå masken för att markera komponentreferenser och polaritet, och även om det inte har någon ström, är det det första en monteringsoperatör litar på.

Ytfinishen är det sista materialbeslutet och ett av de mest betydelsefulla. Utjämning av varmluftslod är det billigaste alternativet, OSP är organiskt och bleknar efter några återflöden, och ENIG eller immersionssilver ger en plan yta för detaljer med fin stigning. Där en bräda sätts in och tas bort upprepade gånger, är hårt guld svaret. Alla våra ytbehandlingar finns i blyfria versioner.

Kretskortsmaterial i en överblick

Tabellen nedan sammanfattar de materialsystem vi bygger oftast och vad var och en är gjord av.

Vanliga kretskortsmaterialsystem, deras sammansättning och de applikationer de passar bäst.
Materialsystem	Vad den är gjord av	Typisk användning
FR-4	Vävd glasfiberduk bunden med epoxiharts	Allmän elektronik, 1 till 32 lager
CEM-3	Non-woven glaskärna med epoxiharts	Kostnadskänsliga konsumenttavlor
Metallkärna i aluminium	Aluminiumbas, dielektriskt lager, kopparfolie	LED-belysning och strömförsörjning
Kopparkärna	Tjock kopparbas med dielektrikum och kopparfolie	Högströmsströmkretsar
Aluminiumoxid keramik	Sintrad aluminiumoxid med tjockfilmskoppar	RF-ström, sensorer, LED-moduler
Polyimid flexibel	Polyimidfilm med valsad eller elektrolytisk utfälld koppar	Flexibla och styva flex-enheter
Högfrekvent laminat	PTFE eller keramiskt fyllt kolväte	Radar, 5G, mikrovågslänkar

Hur applikationen väljer material

Materialval är sällan ett fritt val. Den följer den miljö styrelsen ska leva i.

Konsument- och hushållsprodukter

Där kostnaden dominerar räcker vanligen standard FR-4 eller CEM-3 med HASL eller OSP finish.

Bil- och industrikontroll

Vibrationer, termisk cykling och lång livslängd driver design mot högt-Tg-laminat, tjockare koppar och ytbehandlingar som ENIG som överlever upprepade återflöden.

Kraft och högfrekventa konstruktioner

Värmehantering och signalintegritet har prioritet, vilket innebär metallkärna, keramik eller PTFE-baserade material snarare än en tjockare glasskiva.

Om du är osäker på var din produkt sitter, hjälper det att se hur liknande brädor redan byggs. Du kan bläddra de applikationsområden vi stödjer för att se de materialkombinationer som redan är beprövade i varje segment.

Praktiska anteckningar från butiksgolvet

Några saker vi berättar för kunder som väljer material för första gången:

Välj finish innan layouten är fryst, eftersom padgeometri och via tält beror på det.
Matcha kopparvikten till strömmen, inte till vanan, eftersom överdimensionerad koppar ökar etsningssvårigheter och kostnad.
Fråga om Tg tidigt, eftersom ett högt Tg-laminat kostar lite mer och tar bort en hel klass av fältfel.
Bekräfta stack-up-ritningen före release, eftersom de flesta fördröjningar börjar som ett saknat eller tvetydigt lager.

Om du vill ha en djupare titt på hur laminatval, kopparvikt och finish samverkar, vår guide till välja FR-4, RF och metallkärna material går igenom jämförelserna mer i detalj.

Så vad är kretskort gjorda av? Glasduk och epoxiharts, kopparfolie och pläterade fat, en lödmask, en tryckt legend och en sista finish som håller det hela lödbart. Det intressanta är inte själva listan utan hur dessa material matchas till jobbet. Få den matchen rätt och brädet gör sitt jobb i tysthet i ett decennium eller mer.