Substrátové materiály PCB: FR4, Rogers a vysokofrekvenční
Laminátové materiály PCB pro sourcing z Číny: FR4, Rogers 4003C/4350B, PTFE, MCPCB a polyimid podle dielektrických vlastností a cenových násobků.
Substrátový materiál PCB je jednou z nejzávažnějších voleb v návrhu elektroniky — a jedním z nejsnadnějších míst, kde jej čínská továrna může nahradit, aniž by vám to řekla. Správný materiál závisí na pracovní frekvenci, tepelných požadavcích a mechanickém prostředí. Jeho přesné specifikování ve výrobních poznámkách předchází tichým záměnám, které projdou vizuální kontrolou, ale selžou v terénu. Pokud jste v montáži PCB v Číně nováčkem, správné nastavení specifikací materiálu je prvním krokem ještě před zahájením jakékoli spolupráce na sourcingu.
Přehled
Laminát PCB se skládá z výztuže (tkaná skelná tkanina, aramidové vlákno, nebo žádná), pryskyřičného systému (epoxid, PTFE, polyimid) a měděné fólie. Tyto tři prvky určují dielektrickou konstantu materiálu (Dk), ztrátový činitel (Df), teplotu skelného přechodu (Tg), teplotu tepelného rozkladu (Td) a cenu. Pro většinu komerční elektroniky pod 1 GHz je FR4 správnou volbou. Nad 2 GHz, nebo v prostředí s vysokou teplotou či vlhkostí, se stávají nezbytnými níže uvedené alternativní materiály.
Klíčové parametry
| Materiál | Dk (při 1 GHz) | Df (při 1 GHz) | Tg (°C) | Cenový násobek | Typické použití |
|---|---|---|---|---|---|
| FR4 standard | 4,2–4,5 | 0,02 | 130–150 | 1× | Spotřební elektronika, IoT, obecné |
| FR4 high-Tg | 4,2–4,4 | 0,018 | 150–180 | 1,2× | Bezolovnaté pájení, průmysl |
| Rogers 4003C | 3,55 | 0,0027 | 280 | 3–5× | RF, antény, 2–30 GHz |
| Rogers 4350B | 3,48 | 0,0037 | 280 | 3–5× | RF, podobné 4003C |
| PTFE (čistý, např. RT/duroid) | 2,2 | 0,0009 | N/A | 8–15× | mmWave, >30 GHz, letectví |
| Polyimid (na bázi Kaptonu) | 3,5 | 0,008 | 250+ | 2–3× | FPC, flex obvody, vysoké teploty |
| Hliníkový substrát (MCPCB) | N/A (tepelný) | N/A | — | 1,5–2× | LED, výkonové moduly, odvod tepla |
| Megtron 6 (Panasonic) | 3,6–3,7 | 0,004 | 185 | 4–6× | 5G, vysokorychlostní digitál |
| Megtron 7 | 3,4 | 0,002 | 185 | 5–7× | 5G mmWave, vysoký počet vrstev |
Popisy materiálů
FR4 (standard a high-Tg) Tkaná výztuž E-glass v matrici epoxidové pryskyřice. Standardní FR4 má Tg 130–150°C, což je hraniční pro bezolovnaté pájení (špička 250°C) — tepelné namáhání během reflow degraduje pryskyřici pod Tg, což po opakovaném teplotním cyklování způsobuje mikrotrhliny v prokovených otvorech. Pro jakoukoli bezolovnatou montáž specifikujte FR4 high-Tg (Tg ≥ 150°C, nejlépe 170°C+). Čínští výrobci někdy při specifikaci high-Tg nahrazují standardní FR4 — vyžádejte si datasheet výrobce laminátu a protokol o zkoušce dávky (číslo UL souboru na desce nestačí).
Rogers 4003C a 4350B Kompozity PTFE/tkané sklo od Rogers Corporation. Dk je těsně řízeno (±0,05) a stabilní s frekvencí, díky čemuž jsou RF trasy s řízenou impedancí předvídatelné. Používá se pro antény, výkonové zesilovače, LNA a mikrovlnná vedení. 4003C (Dk 3,55, Df 0,0027) a 4350B (Dk 3,48, Df 0,0037) jsou dva nejběžnější; 4003C má mírně nižší ztráty, 4350B se snáze zpracovává s vrtacími parametry podobnými FR4. Při 5–6 GHz (WiFi 6E, BLE) se Rogers pro jakoukoli RF-kritickou signálovou cestu často vyplatí navzdory cenové přirážce. Čínské RF dílny v Šen-čenu a Tung-kuanu Rogers běžně zpracovávají — vyžádejte si data o procesní způsobilosti.
Čistý PTFE (RT/duroid 5880, RO3003) Nejnižší Dk (~2,2) a Df (~0,0009) ze všech komerčních laminátů. Používá se v aplikacích mmWave (radar 24 GHz, automobilový radar 77 GHz, WiGig 60 GHz), letectví a vysoce výkonné RF. Obtížně se zpracovává: PTFE je měkký, špatně se vrtá a vyžaduje speciální úpravu povrchu pro přilnavost mědi. Zvládá jej méně čínských továren — počítejte s delšími dodacími lhůtami a vyšší NRE.
Hliníkový substrát (MCPCB — Metal Core PCB) Dielektrická vrstva (typicky tloušťky 0,1–0,2 mm) spojuje měď s hliníkovou základní deskou. Tepelná vodivost dielektrika: 1–3 W/m·K (standard) vs 0,3 W/m·K u FR4. Používá se pro vysoce výkonné LED sestavy a výkonové měniče, kde musí být teplo odvedeno do krytu. Není vhodné pro složité vícevrstvé trasování — většina MCPCB je jedno- nebo dvouvrstvá. Tepelnou vodivost dielektrika specifikujte výslovně; generická specifikace „hliníková PCB” ji neomezuje.
Polyimid / Flex Filmová báze z polyimidu (Kapton) pro FPC (flexibilní plošné spoje) a rigid-flex. Tg je v podstatě bodem rozkladu (>250°C), takže dobře snáší opakované teplotní cyklování. Dk ~3,5, Df ~0,008 — dostatečné pro integritu signálu pod 5 GHz. Specifikujte tloušťku materiálu (běžné 25 µm, 50 µm, 75 µm, 125 µm), hmotnost mědi a tloušťku coverlay.
Povrchové úpravy
| Úprava | Proces | Skladovatelnost | Nejvhodnější pro | Pozor |
|---|---|---|---|---|
| HASL (olovnatý) | Hot air solder leveling | 12 měsíců | Through-hole, SMD nízké hustoty | Nerovný povrch — špatný pro jemnou rozteč |
| HASL (bezolovnatý) | Stejně, Sn/Cu/Ni | 12 měsíců | Bezolovnaté bez nákladů na ENIG | Stejný problém s povrchem |
| ENIG | Bezproudý Ni + immerzní Au | 12 měsíců | SMD s jemnou roztečí, wire bonding, press-fit | Riziko black pad při špatném % fosforu v Ni |
| OSP | Organický ochranný prostředek pájitelnosti | 6 měsíců | Velké série, jediný reflow | Nevhodný pro přepracování; oxiduje při skladování |
| ENEPIG | Ni + Pd + Au | 12 měsíců | Wire bonding + pájení | Drahé |
| Immerzní Ag | Ag na Cu | 6 měsíců | Dobrá rovinnost povrchu | Matní; riziko plíživé koroze v prostředí H2S |
Pro součástky s jemnou roztečí (QFP s roztečí 0,5 mm, BGA 0,8 mm) je ENIG v Číně oborovým standardem. Ověřte, že obsah fosforu v Ni je 7–11 % (mid-phos) — high-phos Ni tvoří hypofosfitovou vrstvu, která může způsobit „black pad” (křehké rozhraní Ni-Au, katastrofické selhání spoje).
Co specifikovat při objednávce z Číny
- Výrobce a jakost laminátu: např. „Shengyi S1141 high-Tg FR4 nebo ekvivalent, Tg ≥ 170°C, Td ≥ 310°C” — generické „high-Tg” nestačí
- Dk a Df na pracovní frekvenci: u jakékoli RF desky uveďte „Dk = 3,55 ± 0,05 při 10 GHz, Df ≤ 0,003”, nejen „Rogers 4003C”
- Povrchová úprava a tolerance tloušťky: např. „ENIG: Ni 3–6 µm, Au 0,05–0,1 µm dle IPC-4552A”
- Klasifikace IPC-4101: odkažte na konkrétní slash sheet pro váš laminát (např. /126 pro high-Tg FR4) — dává továrně testovatelnou specifikaci ke splnění
- Požadavek na certifikát: certifikace UL, datasheet laminátu a výsledky testovacích kupónů pro Dk/Df na výrobním panelu
Kontroly kvality
Vyžádejte si materiálový certifikát výrobce laminátu (nikoli jen tvrzení výrobní dílny PCB). U složitých nebo vysokofrekvenčních desek si vyžádejte mikrovýbrusy příčného řezu k ověření vzájemné registrace vrstev a kvality stěn prokovených otvorů. U MCPCB ověřte tepelnou vodivost podle datasheetu výrobce — v objednávce specifikujte minimální hodnotu.
Časté problémy
Delaminace FR4 po několika reflow cyklech: Způsobena standardním Tg FR4 v bezolovnatém procesu. Pryskyřice nad Tg během reflow měkne (špička ~250°C) a opakované teplotní cyklování způsobuje v prokovených otvorech namáhání z roztažnosti v ose z. Řešení: FR4 high-Tg (Tg ≥ 170°C), nebo polyimid pro desky, které projdou >5 teplotními cykly.
Tichá záměna materiálu: Továrně dojde specifikovaný laminát a nahradí jej generickou značkou s podobně deklarovaným Dk — které může kolísat ±0,2, což stačí k rozladění antény nebo posunu trasy s řízenou impedancí o 5–10 Ω. Zmírněte: požadavkem na certifikát dávky laminátu v objednávce a měřením impedančního kupónu na každém panelu.
Black pad u ENIG: Obsah fosforu v Ni mimo specifikaci způsobuje křehký intermetalik Au-Ni-Sn. Pájený spoj vypadá vizuálně i elektricky v pořádku, ale selhává při mechanickém namáhání. Detekuje se příčným řezem a SEM. Specifikujte fosfor v Ni 7–11 % a vyžadujte záznamy o certifikaci lázně ENIG.
Související zdroje
- Proces montáže SMT — jak substrátový materiál ovlivňuje pájení
- Směrnice DFM — pravidla trasa/mezera podle počtu vrstev a materiálu
- Soulad s RoHS — požadavky na materiály pro bezolovnaté pájení
- Kontrolní seznam pro audit továrny
- Sourcing a párování dodavatelů
- Výroba PCB a sourcing SMT
- Průvodce nákupem montáže PCB v Číně