Tuhé PCB

Co je tuhá plošná spojová deska (Rigid PCB)?

Tužná deska PCB je tištěný spoj vyrobený z tuhých izolačních podložek, jako je například FR-4 sklolaminát s epoxidovou pryskyřicí, fenolický papír nebo keramická podložka jako jádro. Má pevný tvar, vysokou tvrdost a nemůže být ohýbán ani skládán. V současnosti je to nejrozšířenější typ DPS. Jeho fyzikální vlastnosti jsou stabilní a při pokojové teplotě nemá žádnou pružnost. Může poskytovat pevnou podporu pro součástky. Běžným materiálem podložky je FR-4, který má vyzrálý proces a kontrolovatelné náklady. V high-end aplikacích jsou používány keramické nebo polyimidem modifikované tuhé substráty, aby splnily požadavky na vysokou tepelnou vodivost a vysokou frekvenci. Struktura zahrnuje jednostranné desky, oboustranné desky a vícevrstvé desky, přičemž mezivrstvené propojení lze dosáhnout prostřednictvím metalizovaných přechodových děr. Je kompatibilní se složitými návrhy obvodů, má standardizovaný výrobní proces a podporuje běžné montážní techniky s vysokým výnosem.

Typy tuhých tištěných spojů lze klasifikovat podle rozměrů, jako je počet konstrukčních vrstev, materiál substrátu a aplikační charakteristiky. Základní klasifikace jsou následující:

Klasifikace podle počtu konstrukčních vrstev

· Jednostranná deska

Má pouze jednu stranu s vodivými obvody z měděné fólie a druhou stranu jako základní materiál. Má jednoduchou strukturu a nejnižší náklady, je vhodná pro zařízení s nízkým výkonem a jednoduchými obvody (např. dálková ovládání, hračky, obvody desky, napájecí adaptéry).

· Dvoustranný DPS

Obě strany mají měděné obvody, mezi vrstvami se dosahuje propojení prostřednictvím metalizovaných přechodových děr. Složitost obvodu je vyšší než u jednostranných desek, ale náklady jsou střední. Je široce používána v spotřební elektronice (nabíjecí podložky pro mobilní telefony), průmyslové řídicí senzory a další scénáře.

· Vícevrstvá deska

Obsahuje 3 nebo více vodivých vrstev (běžně 4, 6, 8 vrstev a až 40 vrstev u vysoce výkonných modelů), vrstvy jsou spojeny izolačními substráty. Přechodové díry jsou rozděleny na skrz díry, slepé díry a vnitřní díry, což umožňuje husté zapojení a je vhodné pro složité obvody (počítačové základní desky, automobilové řídicí jednotky ECU, hlavní řídicí desky lékařského vybavení).

Rozdělení podle materiálu základny

· Sklolaminátové desky plošných spojů (FR-4)

Základní materiál je skelná tkanina s epoxidovou pryskyřicí (FR-4), který má vynikající izolační vlastnosti, odolnost proti teplu a mechanickou pevnost při kontrolovatelných nákladech. Tvoří více než 90 % trhu tuhých desek plošných spojů a je vhodný pro běžné oblasti, jako jsou spotřební elektronika, průmyslové řízení a automobily.

· Fenolická papírová DPS (FR-1/FR-2)

Základní materiál je fenolová pryskyřice a papírová vlákna. Má nízké náklady, ale špatnou tepelnou odolnost a mechanickou pevnost, používá se pouze v levném zařízení (např. staromódní rádia, jednoduché řídící desky domácích spotřebičů).

· Keramické desky plošných spojů

Základní materiál jsou keramiky oxidu hlinitého a dusičku hlinitého, které mají vynikající tepelnou vodivost, vysokou izolaci a odolnost proti vysokým teplotám. Jsou vhodné pro výkonné a vysokofrekvenční aplikace (např. nabíječky pro vozidla na nové energie a letecké a kosmické přístroje).

· DPS na kovovém nosiči (hliníkový/měděný nosič)

Základní materiál je kovová deska (hliník/měď) + izolační vrstva + měděná fólie. Jeho schopnost odvádění tepla daleko převyšuje běžné FR-4 a je rovněž znám jako „chladicí DPS“. Používá se v LED osvětlení, výkonových zesilovačích a průmyslových frekvenčních měničích.

Klasifikace podle tloušťky mědi/výkonových charakteristik

· DPS se standardní tloušťkou mědi

Tloušťka měděné fólie je ≤1 uncí (35 μm), vhodná pro běžné obvody s malým proudem (spotřební elektronika, nízkoenergetické moduly).

· DPS z tlusté (těžké) mědi

Tloušťka měděné fólie je ≥2 unce (70 μm), má vysokou proudovou zatížitelnost a dobrou tepelnou vodivost, používá se ve vysokovýkonových zařízeních (výkonové moduly, elektronické řídicí systémy vozidel nové energetiky).

· Vysokofrekvenční DPS

Základní materiál je polytetrafluorethylén (PTFE) a materiál Rogers, který má stabilní dielektrickou konstantu a nízké ztráty signálu. Je vhodný pro komunikaci 5G, radarová a radiofrekvenční zařízení.

Rozděleno podle procesu povrchové úpravy

· Deska s nástřikem cínu

Povrch je pokryt vrstvou cínu, která má dobrou pájitelnost a nízké náklady, vhodná pro běžná zařízení.

· Deska s pozlacením

Povrch tvoří vrstva niklu a zlata, odolná proti oxidaci a s nízkým přechodovým odporem. Vhodná pro vysokopřesné konektory a klávesnice (např. hlavní desky mobilních telefonů a lékařské přístroje).

· Deska s ochrannou vrstvou OSP

Povrch je potažen organickou ochrannou fólií, která je ekologická a má střední náklady. Široce se používá v technologii SMT pro povrchovou montáž v spotřební elektronice.

Hlavní rozdíl oproti flexibilní DPS

Tuhé tištěné spoje, díky svému stálému tvaru, vysoké mechanické pevnosti a zralé technologii, jsou široce využívány v různých zařízeních s požadavky na stabilitu obvodu a pevné uchycení.

V oblasti spotřební elektroniky

Používá se u základních desek počítačů/grafických karet, základních desek mobilních telefonů, napájecích desek televizorů, tištěných spojů routerů/televizních boxů a řídicích desek praček/chladniček atd. Díky nízké ceně a zralé technologii substrátu FR-4 je vhodný pro střední a malé výkony obvodů a splňuje požadavky na stabilitu spotřebitelských výrobků.

Oblast průmyslového řízení:

Aplikuje se u modulů PLC, základních desek průmyslových počítačů, frekvenčních měničů, řídicích desek servopohonů a desek pro signály senzorů. Díky vlastnostem odolnosti proti vibracím a dobré odolnosti proti teplotě vícevrstvá konstrukce umožňuje komplexní integraci obvodů a je vhodná pro náročné průmyslové provozní podmínky.

V oblasti automobilové elektroniky

Je kompatibilní s řídicími jednotkami motoru (ECU), palubními centrálními řídicími deskami, hlavními deskami nabíječek, řídicími deskami systému řízení baterií (BMS) a řídicími deskami vozidlových světel. Vyznačuje se vysokou spolehlivostí (odolností vůči vysokým a nízkým teplotám a otřesům) a tlustoměděná verze dokáže vést velké proudy, čímž splňuje palubní bezpečnostní normy.

Oblast lékařské techniky:

Používá se u řídicích desek pro CT přístroje / magnetickou rezonanci, desek obrazovek, modulů lékařských zdrojů a hlavních desek glykemických měřidel. Nabízí vynikající izolaci a stabilní přenos signálu, čímž splňuje přísné bezpečnostní a spolehlivostní požadavky lékařského průmyslu.

Letectví

Vysoce výkonné tuhé desky plošných spojů z keramických nebo vysokofrekvenčních substrátů se používají u hlavních desek satelitního zařízení, řídicích desek leteckých radarů, rozváděčů raket a řídicích desek bezpilotních letounů. Mohou odolávat extrémním prostředím, jako jsou vysoké a nízké teploty a radiace, a mají vynikající mechanickou pevnost.

Oblast zařízení pro nové zdroje energie

Desky tuhých desek s tlustou mědí se používají v obvodech fotovoltaických střídačů, řídicích deskách baterií pro ukládání energie a hlavních deskách měničů větrných elektráren. Mají vysokou vodivost proudu a dobrou tepelnou odvodnost a jsou vhodné pro požadavky na přenos a přeměnu výkonu o vysokém výkonu.

Oblast komunikačního zařízení:

Vysokofrekvenční tuhé desky plošných spojů z PTFE nebo Rogers substrátu se používají u RF desek 5G základnových stanic, hlavních desek přepínačů a obvodových desek optických modulů. Mají nízké ztráty signálu a podporují rychlý přenos dat.