Piirilevy näyttää ulospäin yksinkertaiselta vihreältä levyltä, mutta todellisuudessa se on useiden materiaalikerrosten yhdistelmä. Sähköä johtavat kuparikerrokset, eristävä runkomateriaali, juotosmaski, merkintäpainatus ja pintakäsittely muodostavat yhdessä rakenteen, joka määrittää levyn luotettavuuden, juotettavuuden, lämmönhallinnan ja valmistuskustannuksen.
For more information on industry standards, see printed circuit board and IPC standards.
Jos ostat elektroniikkaa, box build -kokoonpanoja tai kokonaisia laitekokoonpanoja, materiaalivalinta vaikuttaa suoraan siihen, kestääkö tuote lämpösyklit, tärinän, kosteuden ja kokoonpanoprosessin. Tässä oppaassa käydään läpi, mistä piirilevyt yleensä tehdään, mitä eri kerrokset tekevät ja milloin tavallinen FR-4 ei enää ole oikea ratkaisu.
1. Lyhyt vastaus: mistä piirilevy yleensä koostuu?
Useimmat jäykät piirilevyt valmistetaan lasikuituvahvisteisesta epoksilaminaatista, jota kutsutaan yleisesti FR-4:ksi. Tämän eristävän rungon pintaan tai kerrosten väliin laminoidaan kuparifoliota, josta etsaamalla muodostetaan johtimet, maat ja padit. Kuparin päälle lisätään juotosmaski suojaamaan pintaa, silkkipaino merkintöjä varten sekä pintakäsittely, joka pitää avoimet kuparialueet juotettavina.
Käytännössä valmiissa PCB:ssä on siis vähintään viisi materiaaliluokkaa: runkomateriaali, kupari, juotosmaski, merkintäkerros ja pintakäsittely. Monikerroslevyissä mukana on lisäksi prepreg- ja ydinrakenteita, joilla eri kuparikerrokset sidotaan yhdeksi pinoksi.
| Kerros tai osa | Tyypillinen materiaali | Mitä se tekee |
|---|---|---|
| Runkomateriaali | FR-4, polyimidi, alumiinipohja, keramiikka | Antaa mekaanisen tuen ja sähköisen eristyksen |
| Johtavat kerrokset | Kuparifolio | Kuljettaa virtaa ja signaaleja |
| Juotosmaski | Valoherkkä polymeeripinnoite | Suojaa kuparia ja estää juotossiltoja |
| Silkkipaino | Ei-johtava muste | Näyttää tunnukset, navat ja asennusmerkinnät |
| Pintakäsittely | ENIG, HASL, OSP, hopea, tina | Estää kuparin hapettumista ja parantaa juotettavuutta |
Hommer Zhao, WIRINGO:n perustaja:
“Kun ostaja kysyy mistä piirilevy on tehty, oikea vastaus ei ole vain FR-4. Olennaista on koko materiaalipino: peruslaminaatti, kuparin paksuus, juotosmaski ja pintakäsittely ratkaisevat yhdessä, miten levy käyttäytyy tuotannossa ja kentällä.”
2. Miksi FR-4 on yleisin piirilevymateriaali?
FR-4 on käytännössä piirilevyteollisuuden oletusmateriaali jäykille levyille. Se koostuu lasikuitukankaasta ja epoksihartsista, joiden yhdistelmä tarjoaa hyvän sähköisen eristyksen, mekaanisen jäykkyyden, kohtuullisen lämmönkeston ja kilpailukykyisen hinnan. Siksi suurin osa kulutuselektroniikan, teollisuuselektroniikan ja tavallisten ohjainkorttien levyistä tehdään juuri FR-4-pohjalle.
FR-4 ei kuitenkaan tarkoita yhtä ainoaa materiaalia. Markkinassa on eri Tg-, Td- ja luotettavuustasoja, ja monikerroslevyissä korkeampi lämpökuorma, suurempi kerrosmäärä tai lyijytön kokoonpano voi edellyttää tavallista laadukkaampaa laminaattia. Jos tuotteesi joutuu kovaan lämpörasitukseen tai käy läpi useita reflow-kierroksia, materiaalin tarkka spesifikaatio kannattaa määritellä eikä pyytää vain “standardi FR-4”.
Tämä sama hankintalogiikka näkyy myös testauksessa: halvin levy voi toimia laboratoriossa, mutta kenttäluotettavuus heikkenee, jos materiaalivalinta ei vastaa lämpö- tai kosteusrasitusta.
3. Miksi kuparia käytetään johtimissa?
Kuparifolio muodostaa PCB:n sähköiset reitit. Syyt ovat käytännöllisiä: kupari johtaa sähköä hyvin, on teollisesti helposti prosessoitavaa ja sen tartunta laminaattiin on hallittavissa. Yksinkertaisessa kaksikerroslevyssä kuparia on rungon molemmin puolin, mutta monikerroslevyssä sitä voi olla useita sisä- ja ulkokerroksia.
Kuparin paksuus valitaan virrankeston, lämpenemisen ja valmistettavuuden perusteella. Tehonsiirrossa tai korkeissa virroissa käytetään paksumpaa kuparia, kun taas tiheässä signaalireitityksessä ohuempi kupari mahdollistaa kapeammat johtimet ja tarkemman geometrian. Tästä syystä samaan tuotteeseen voidaan tarvita täysin eri kuparirakenne kuin tavalliseen anturi- tai ohjauslevyyn.
| Kupariratkaisu | Milloin sitä käytetään | Mitä ostajan pitää huomioida |
|---|---|---|
| Peruskupari | Yleiset ohjaus-, signaali- ja I/O-levyt | Riittää useimpiin tavanomaisiin elektroniikkatuotteisiin |
| Paksu kupari | Tehoelektroniikka, moottoriohjaus, virtakiskot | Vaikuttaa johtimen leveyksiin, poraukseen ja hintaan |
| Monikerroskupari | Nopeat digitaaliset ja tiheät järjestelmät | Pinorakenne ja impedanssinhallinta korostuvat |
4. Mitä vihreä pinta oikeasti on?
Moni ajattelee, että piirilevyn vihreä pinta olisi itse runkomateriaali, mutta yleensä se on juotosmaski. Juotosmaski on polymeeripinnoite, joka levitetään kuparin päälle suojaamaan johtimia hapettumiselta, lialta ja käsittelyvaurioilta sekä estämään juotteen valumista väärään paikkaan kokoonpanossa.
Vihreä on yleisin väri prosessi- ja kustannussyistä, mutta sähköinen toiminta ei riipu väristä. Musta, valkoinen, sininen ja punäinen ovat yleensä esteettisiä tai tunnistettavuuteen liittyviä valintoja. Hankinnan kannalta tärkeämpää on se, kattaako juotosmaski kuparin reunat riittävästi ja pysyykö se vakaana tuotannon lämpökuormassa.
Juotosmaskin päällä oleva silkkipaino on puolestaan merkintäkerros. Se ei johda sähköä eikä ole mekaaninen suoja, mutta se helpottaa kokoonpanoa, tarkastusta ja huoltoa näyttämällä esimerkiksi komponenttitunnukset, napaisuudet ja testipisteet.
5. Miksi kuparin päälle lisätään pintakäsittely?
Paljas kupari hapettuu nopeasti, mikä heikentää juotettavuutta. Siksi juotettaville alueille lisätään pintakäsittely. Yleisimmät vaihtoehdot ovat OSP, HASL ja ENIG, ja oikea valinta riippuu tuotteen geometriasta, komponenttitiheydestä, varastointiajasta ja kustannuspaineesta.
| Pintakäsittely | Vahvuus | Rajoitus | Tyypillinen käyttö |
|---|---|---|---|
| OSP | Edullinen ja tasainen pinta | Herkkä käsittelylle ja varastoinnille | Kustannusohjatut standardilevyt |
| HASL | Vankka ja yleinen prosessi | Pinta ei ole yhtä tasainen hienojakoisille komponenteille | Läpijuotavat tai vähemmän tiheät kokoonpanot |
| ENIG | Tasainen pinta ja hyvä juotettavuus | Kalliimpi kuin OSP tai HASL | Fine-pitch, BGA, vaativat kokoonpanot |
ENIG näkyy hankintakeskusteluissa usein oletusvalintana, mutta se ei ole automaattisesti paras joka projektiin. Jos levy on yksinkertainen ja kustannus herkkä, OSP tai HASL voi olla täysin riittävä. Jos taas tuotteessa on tiheä komponenttiasettelu, hienot padit tai korkeat tasaisuusvaatimukset, ENIG on usein perusteltu lisäkustannus.
6. Milloin tavallinen FR-4 ei enää riitä?
FR-4 ratkaisee suurimman osan tavallisista tarpeista, mutta ei kaikkia. Kun levyn pitää taipua, käytetään polyimidiin perustuvia joustavia piirilevyjä. Kun lämmönhallinta on kriittinen, käytetään alumiini- tai kuparipohjaisia metal-core-rakenteita. Kun ympäristö on erittäin kuuma, suurtaajuinen tai sähköisesti vaativa, voidaan siirtyä keraamisiin tai matalahäviöisiin erikoismateriaaleihin.
| Materiaali | Sopii parhaiten | Miksi se valitaan |
|---|---|---|
| FR-4 | Useimmat jäykät piirilevyt | Tasapaino hinnan, jäykkyyden ja sähköisten ominaisuuksien välillä |
| Polyimidi | Flex- ja rigid-flex-rakenteet | Taipuvuus, mittapysyvyys ja hyvä lämpötilankesto |
| Alumiinipohja | LED, tehoelektroniikka, lämmönhallinta | Johtaa lämpöä pois komponenttialueelta |
| Keramiikka | Hyvin kuumat tai sähköisesti vaativat sovellukset | Korkea lämmönkesto ja vakaa sähköinen suorituskyky |
Tässä kohtaa suunnittelun ja hankinnan yhteistyö korostuu. Jos lopputuotteessa on myös johtosarjoja, liittimiä ja kotelointi, koko järjestelmä kannattaa määritellä yhtenä kokonaisuutena eikä ostaa PCB:tä irrallisena komponenttina.
Hommer Zhao, WIRINGO:n perustaja:
“Yleinen virhe on yrittää ratkaista lämpöongelma paksummalla kuparilla, vaikka oikea ratkaisu olisi alumiinipohjainen levy tai koko kokoonpanon uudelleenreititys. Materiaalin pitää vastata vikatilaa, ei vain piirustuksen oletusta.”
7. Miten monikerroslevy rakennetaan materiaalien näkökulmasta?
Monikerros-PCB ei ole yksi paksu levy, vaan pino ydinmateriaaleja, prepreg-kerroksia ja kuparifolioita. Sisäkerroksiin tehdään ensin johtinkuviot, minkä jälkeen kerrokset laminoidaan yhteen lämmön ja paineen avulla. Tämän jälkeen porataan läpiviennit, tehdään metalloinnit ja viimeistellään ulkokerrokset.
Materiaalivalinta vaikuttaa koko prosessiin: laminaatin lämpölaajeneminen, kuparin paksuus, prepregin virtaavuus ja pintakäsittely määrittävät, kuinka hyvin levy pysyy mittatarkkana ja kuinka luotettavia läpiviennit ovat. Siksi monikerroslevyjen ostossa “4-layer FR-4” ei yleensä ole riittävä spesifikaatio.
8. Mitä ostajan tai suunnittelijan pitäisi pyytää toimittajalta?
Jos tavoitteena on välttää materiaaliepäselvyydet, tarjouspyynnössä kannattaa määritellä ainakin perusmateriaali, kuparin paino tai paksuus, levyn kokonaispaksuus, kerrosmäärä, juotosmaskin väri, pintakäsittely ja mahdolliset erityisvaatimukset kuten impedanssinhallinta, UL-luokitus, halogeenittomuus tai korkea Tg.
- Määritä haluttu perusmateriaali: standardi FR-4, high-Tg FR-4, polyimidi tai metal-core.
- Ilmoita kuparin paksuus sisä- ja ulkokerroksille erikseen, jos ne poikkeavat toisistaan.
- Valitse pintakäsittely tuotteen tarpeen mukaan, älä oletuksena.
- Pyydä pinorakenne näkyviin monikerroslevyissä.
- Varmista, että materiaalit sopivat myös kokoonpanoprosessiin ja loppukäyttöön.
Sama periaate pätee silloin, kun tilaat kokonaisia kaapelikokoonpanoja tai mixed-technology-tuotteita. Mitä tarkempi materiaalispesifikaatio, sitä vähemmän tulkinnanvaraa jää valmistajalle.
9. Usein kysytyt kysymykset piirilevyn materiaaleista
Ovatko kaikki piirilevyt FR-4:ää?
Eivät. FR-4 on yleisin jäykkien levyjen materiaali, mutta flex-levyissä käytetään usein polyimidia, lämmönhallintaa vaativissa tuotteissa alumiinipohjia ja erittäin vaativissa sovelluksissa myös keraamisia tai matalahäviöisiä erikoismateriaaleja.
Miksi piirilevyt ovat yleensä vihreitä?
Vihreä väri tulee tavallisesti juotosmaskista, ei itse runkomateriaalista. Vihreä on yleinen valmistusstandardi, mutta levy voi olla myös monen muun värinen ilman että perustoiminta muuttuu.
Onko ENIG aina paras pintakäsittely?
Ei. ENIG on erinomainen moniin vaativiin kokoonpanoihin, mutta yksinkertaisissa ja kustannusherkissä tuotteissa OSP tai HASL voi olla järkevämpi valinta. Oikea ratkaisu riippuu komponenttitiheydestä, varastoinnista ja juotosprosessista.
Mitä eroa on piirilevyllä ja johtosarjalla?
Piirilevy reitittää sähköiset yhteydet kupariratoina jäykällä tai joustavalla alustalla, kun taas johtosarja yhdistää komponentteja johdoilla, liittimillä ja suojauksilla. Monissa laitteissa tarvitaan molempia.
Tarvitsetko apua johtosarjaprojektissasi?
Ota yhteyttä asiantuntijoihimme ja saat ilmaisen tarjouksen 24 tunnin kuluessa.
For more information on industry standards, see cable assembly and IPC standards.
Pyydä tarjous
