Thông tin PCB - FR-4 VS tấm nhôm

Vật liệu của bảng mạch FR4 là vật liệu tổng hợp của sợi thủy tinh và nhựa epoxy, còn được gọi là nhựa epoxy ngâm tẩm vải sợi thủy tinh. Thông thường, tỷ lệ sợi thủy tinh với nhựa epoxy là 1: 2. Ưu điểm của nó bao gồm khả năng chịu nhiệt tốt, tính cách điện ổn định và độ bền cơ học cao, làm cho nó được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử khác nhau. CTE (Hệ số giãn nở nhiệt) là mức độ mà vật liệu mở rộng để đáp ứng với sự thay đổi nhiệt độ, thường được biểu thị bằng ppm/° C (vài phần nghìn/độ C). Giá trị CTE của FR-4 là khoảng 15 đến 19 ppm/° C và phù hợp với hầu hết các yêu cầu đóng gói hữu cơ. CTE cho FR-4 đã được xem xét kỹ lưỡng hơn khi nhu cầu về gói CTE thấp trong ngành tăng lên.

CTE rất quan trọng đối với hiệu suất của PCB, đặc biệt là khi trải qua chu kỳ nhiệt, vì sự không phù hợp của CTE giữa các vật liệu khác nhau gây ra căng thẳng có thể dẫn đến sự cố cơ học. Cụ thể, khi FR-4 kết hợp với các vật liệu khác, chẳng hạn như đồng, sự thay đổi nhiệt độ có thể khiến giao diện bị nứt hoặc bong tróc do tốc độ giãn nở khác nhau của mỗi vật liệu. Để đảm bảo độ tin cậy của thiết kế, cần phải xem xét chính xác CTE ngang và dọc (CTEx, CTEy, CTEz) của vật liệu FR-4.

Quá trình sản xuất bảng mạch FR4 có thể được tóm tắt trong các bước sau:

1. Chuẩn bị vải sợi thủy tinh: sợi thủy tinh được kết nối bằng máy dệt để tạo thành vải sợi thủy tinh.

2. Roughing: đặt vải sợi thủy tinh đã chuẩn bị sẵn vào khuôn lớn, thêm epoxy, chữa khỏi và tạo hình bằng công nghệ ép nóng.

3. Gia công chính xác: Vải sợi thủy tinh được xử lý trước khi khoan, mạ đồng và gia công kiểm tra để sản xuất bảng mạch FR4 với các thông số kỹ thuật và mô hình khác nhau.

FR-4 là một chất nền thường được sử dụng cho bảng mạch in (PCB) và hệ số giãn nở nhiệt (CTE) của nó rất quan trọng trong một số ứng dụng trong ngành công nghiệp điện tử.

1. Quản lý nhiệt và ổn định kích thước

CTE của vật liệu FR-4 thường nằm trong khoảng 50-70x10 ^ -6/° C, đại diện cho sự ổn định kích thước của nó trong quá trình thay đổi nhiệt độ. Khi thiết bị điện tử hoạt động, việc tạo ra nhiệt có thể khiến vật liệu mở rộng hoặc co lại và CTE quá cao có thể dẫn đến biến dạng của bảng, ảnh hưởng đến độ tin cậy. Các nhà thiết kế cần xem xét tác động của CTE để đảm bảo hoạt động trơn tru của bảng trong các điều kiện hoạt động khác nhau.

2. Độ tin cậy hàn

Trong quá trình hàn, bảng trải qua một chu kỳ nhiệt nhanh chóng và sự gia tăng và giảm nhiệt độ đột ngột có thể dẫn đến tiếp xúc kém với hàn và thất bại kết nối sau đó. Chọn vật liệu CTE phù hợp có thể làm giảm căng thẳng nhiệt và đảm bảo độ bền và độ tin cậy của các mối hàn. Điều này đặc biệt quan trọng đối với việc lắp ráp mật độ cao và thu nhỏ các thiết bị điện tử.

3. Tầm quan trọng của việc áp dụng cho mạch tần số cao

Mạch tần số cao có yêu cầu nghiêm ngặt về tính chất điện môi và đặc tính giãn nở nhiệt của vật liệu. FR-4 trong các ứng dụng tần số cao có thể gây ra sự chậm trễ và biến dạng tín hiệu nếu vật liệu không được lựa chọn đúng cách. CTE thích hợp cho phép bảng duy trì tính toàn vẹn tín hiệu tốt ở tần số hoạt động và là một trong những yếu tố quan trọng trong thiết kế mạch tần số cao.

4. Cân nhắc hiệu quả chi phí

FR-4 là một lựa chọn với chi phí thấp và hiệu suất tương đối ổn định so với các vật liệu khác như gốm sứ, PTFE, v.v. Từ quan điểm hiệu quả về chi phí, FR-4 cung cấp mức độ kinh tế cao trong sản xuất trong khi đáp ứng các yêu cầu CTE cơ bản. Lợi thế chi phí/hiệu suất này làm cho FR-4 trở thành vật liệu hàng đầu trong một số lĩnh vực, đặc biệt là trong điện tử tiêu dùng.

Tấm nhôm là một tấm đồng mạ kim loại có chức năng tản nhiệt tốt. Thông thường, một tấm duy nhất bao gồm một cấu trúc ba lớp, đó là một lớp mạch (lá đồng), một lớp cách điện và một chất nền kim loại. Một số thiết kế sử dụng cao cấp cũng là bảng điều khiển kép với cấu trúc của lớp mạch, lớp cách điện, cơ sở nhôm, lớp cách điện và lớp mạch. Rất ít ứng dụng là tấm nhiều lớp, có thể được làm bằng cách liên kết các tấm nhiều lớp thông thường với lớp cách nhiệt và tấm nhôm.

Sự khác biệt giữa FR-4 và tấm nhôm

1. Hiệu suất

So sánh dây dẫn (dây đồng) và dòng cầu chì trên các vật liệu chất nền khác nhau, từ so sánh tấm nhôm và tấm FR-4, độ dẫn được cải thiện đáng kể do tản nhiệt cao của chất nền kim loại, cho thấy đặc tính tản nhiệt cao của tấm nhôm từ một góc độ khác. Tản nhiệt của chất nền nhôm có liên quan đến độ dày lớp cách nhiệt và độ dẫn nhiệt của nó. Lớp cách nhiệt càng mỏng, độ dẫn nhiệt của tấm nhôm càng cao (nhưng khả năng chịu áp suất càng thấp).

2. Khả năng gia công

Tấm nhôm có độ bền cơ học và độ dẻo dai cao, tốt hơn so với tấm FR-4. Đối với điều này, một khu vực rộng lớn của bảng in có thể được thực hiện trên tấm nhôm, nơi các thành phần lớn có thể được cài đặt.

3. Hiệu suất che chắn điện từ

Để đảm bảo hiệu suất của mạch, một số thành phần trong thiết bị điện tử cần được bảo vệ khỏi bức xạ và nhiễu sóng điện từ. Tấm nhôm có thể hoạt động như một tấm chắn để che chắn sóng điện từ.

4. Hệ số giãn nở nhiệt

Do sự giãn nở nhiệt của FR-4 nói chung, đặc biệt là độ dày của tấm, nó sẽ ảnh hưởng đến chất lượng của lỗ kim loại và dây. Lý do chính là hệ số giãn nở nhiệt của đồng trong nguyên liệu thô là 17 * 106cm/cm-C về độ dày, và tỷ lệ giãn nở nhiệt của tấm FR-4 là 110 * 106cm/cm2, sự khác biệt là đáng kể, dễ dàng xảy ra sự giãn nở của chất nền gia nhiệt, thay đổi dây đồng, và thiệt hại về độ tin cậy của sản phẩm do vỡ lỗ kim loại. Hệ số giãn nở nhiệt của tấm nhôm là 50 × 106cm/cm-C, nhỏ hơn so với tấm FR-4 thông thường, gần với tốc độ giãn nở nhiệt của lá đồng.

5. Lĩnh vực ứng dụng

Bảng FR-4 phù hợp cho thiết kế mạch nói chung và các sản phẩm điện tử nói chung. Tấm nhôm thường được sử dụng trong các thiết bị điện tử có yêu cầu tản nhiệt cao, chẳng hạn như bảng đèn LED.

FR4 là một tấm nhựa epoxy gia cố bằng sợi thủy tinh, một trong những tấm được sử dụng phổ biến nhất trong sản xuất PCB. Nó có độ bền cơ học tuyệt vời, khả năng chịu nhiệt và tính chất điện, và có thể hoạt động ở nhiệt độ cao và tần số cao. Hệ số giãn nở nhiệt của tấm FR4 nhỏ và ổn định tốt, phù hợp để sản xuất các sản phẩm điện tử có độ chính xác cao.

Tấm nhôm là một chất nền kim loại bao gồm tấm nhôm, lớp cách nhiệt và lá đồng. Nó có tính dẫn nhiệt và tản nhiệt tuyệt vời và phù hợp để sản xuất các thiết bị điện tử công suất cao. Hiệu suất tản nhiệt của tấm nhôm tốt hơn tấm FR4, vì vậy nó phù hợp để sản xuất các sản phẩm điện tử như đèn LED công suất cao, biến tần công suất cao.

Sự đa dạng của bảng mạch PCB cung cấp nhiều lựa chọn hơn cho việc sản xuất các thiết bị điện tử. Khi lựa chọn bảng mạch, cần phải xem xét các yếu tố như yêu cầu hiệu suất, môi trường làm việc và chi phí của các sản phẩm điện tử một cách toàn diện. FR4 và tấm nhôm có những ưu điểm và nhược điểm riêng, cần được lựa chọn theo tình hình thực tế.